【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3。44 弱反饋效應(yīng)的傳感研究 47 本章小結(jié) 51 DFB 光纖激光傳感器的研究 V 結(jié)論與展望 52 參考文獻(xiàn) 54 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果 59 致 謝 60 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 概述 隨著光纖制造工藝的不斷提高以及半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，以光纖作為介質(zhì)的光纖激光器成為了現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)之一。光纖激光器早在 60 年代時(shí) 就已經(jīng)出現(xiàn)了。 70 年代以來(lái)，由于光纖制備技術(shù)的提高以及激光器諧振腔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得光纖激光器在這一時(shí)期有了很大的發(fā)展，尤其是在 80 年代的中期成功的研制出了摻鉺光纖，使得人們對(duì)利用摻稀土元素作為增益介質(zhì)的光纖激光器產(chǎn)生了極大的興趣，并且光纖激光器相對(duì)于半導(dǎo)體激光器具有制作工藝簡(jiǎn)單、研究成本較低等突出的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)光纖激光器在降低泵浦閾值和波長(zhǎng)可調(diào)諧性能等方面都有顯著的提高，因此光纖激光器具有極為廣泛的研究意義和應(yīng)用前景 [1]。 光纖激光器的優(yōu)勢(shì) [2]主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面： 光束質(zhì)量好，具有很好的單色性、穩(wěn)定 性和方向性； 基質(zhì)材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，散熱快，工作物質(zhì)的熱負(fù)荷小，無(wú)需冷卻系統(tǒng)，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率； 光纖激光器所采用的光纖既是激光的增益介質(zhì)，同時(shí)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，泵浦光的耦合效率很高，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，光纖激光器能方便地延長(zhǎng)增益長(zhǎng)度，使泵浦光充分吸收，使總體的光與光轉(zhuǎn)換效率超過(guò) 60%； 硅光纖的制造工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低光纖激光器的成本； 作為激光增益介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子擁有極為豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能級(jí)躍遷覆蓋了 從紫外到紅外很寬的波段，具有很多能實(shí)現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級(jí)； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，小巧靈活，使用方便，易于系統(tǒng)集成； 可在極其惡劣的環(huán)境條件下工作。 光纖激光器由于以上的多種優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、光纖傳感、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信方面，光纖激光器提供的 1310nm 和 1550nm 波段的激光是光纖通信中兩個(gè)低損耗窗口，光纖激光器還能輸出連續(xù)激光，在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中具有巨大的潛在應(yīng)用能力，光纖激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度，更遠(yuǎn)的傳輸哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 距離，更高的傳輸效率；在傳感方 面，光纖激光器用于相位型、波長(zhǎng)型、光強(qiáng)型和偏振態(tài)型等傳感系統(tǒng)中，可以測(cè)量道路 [3]、橋梁 [4]、天然氣井的壓力，可以測(cè)量水下信號(hào)即水聽(tīng)器 [5]，可以對(duì)機(jī)翼進(jìn)行健康監(jiān)控 [6]等；在工業(yè)方面，光纖激光器廣泛應(yīng)用于材料加工處理、激光雕刻、激光產(chǎn)品打標(biāo)、激光焊接、焊縫清理、精密打孔和激光圖形藝術(shù)成像 [7]等；在醫(yī)療方面，基于光纖激光器的優(yōu)勢(shì)，光纖激光器使能縮短組織脫落和光致凝結(jié)的手術(shù)時(shí)間，同時(shí)使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠(yuǎn)視等的治愈成功率大大提高，還在整容、切除腫瘤、治癌、皮膚病方面扮演重要的角色 [8]；在軍事方 面，高功率激光器作為武器可以精確的瞄準(zhǔn)打擊并摧毀目標(biāo)，在定位、測(cè)距、遙感、跟蹤制導(dǎo)、激光雷達(dá)系統(tǒng)傳感技術(shù)和空間技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用前景 [9]。 隨著紫外寫入光纖光柵技術(shù)的日益發(fā)展，以光纖光柵技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖光柵激光器成為了光纖激光器領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一 [1011]。光纖光柵激光器屬于全光纖激光器，全光纖激光器是由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間熔接在一起，這樣形成的連接結(jié)構(gòu)和連接參數(shù)將長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，光纖和光纖元件本身能長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此整個(gè)光路長(zhǎng)期穩(wěn)定，無(wú)需維護(hù)，半導(dǎo)體激光器的不可維修性相比 ，全光纖激光器的可維護(hù)性和可維修性表現(xiàn)突出，與氣體和固體等激光器需要頻繁的維護(hù)和維修相比，全光纖激光器光路的免維護(hù)特性優(yōu)點(diǎn)突出。光纖光柵是構(gòu)成光纖光柵激光器諧振腔的理想窄帶反射元件，在光纖激光器中引入光纖光柵可以形成高靈敏度的光纖傳感器 [12]。光纖光柵激光器與光纖的兼容性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)選擇容易且可精確確定、線寬窄、高頻調(diào)制下的頻率啁啾效應(yīng)極小、抗電磁干擾、穩(wěn)定性高，與外調(diào)制器相結(jié)合，由于以上的優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵型激光器在各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景 [13]。光纖光柵激光器主要是DFB(distributed feedback)光纖激光器和 DBR(distributed Bragg reflector)光纖激光器，二者之間的主要區(qū)別是 DFB 光纖激光器將光柵直接紫外寫入摻 Er 光纖上，避免了摻 Er光纖與光柵之間的熔接損耗，還有只用一個(gè)光柵實(shí)現(xiàn)光反饋和波長(zhǎng)的選擇，故穩(wěn)定性更好。本文主要對(duì) DFB 光纖激光器的基本理論和在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展 概況 我國(guó)國(guó)內(nèi)光纖激光器目前已經(jīng)得到一定程度的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的一些單位如上海光機(jī)所、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、天津大學(xué)等從八十年 代末進(jìn)入光纖激光器的研究領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)努力獲得了一定進(jìn)展。國(guó)內(nèi)從 80 年代末和 90 年代初，在上海硅酸鹽研究所、天津 46 所、上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、半導(dǎo)體研究所、復(fù)第 1 章 緒論 3 旦大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等國(guó)內(nèi)科研單位先后開(kāi)展了摻鉺光纖的研制，光纖激光器和放大器方面的研究，并取得了一些階段性的成果 [14]。南開(kāi)大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所開(kāi)展摻鐿雙包層光纖激光器的研究工作，特別是在雙包層光纖Bragg 光柵方面取得了開(kāi)創(chuàng)性成果 [15]，烽火通信科技股份有限公司與上海光機(jī)所于 2021年合作，順利研制出輸出功率高達(dá) 440W 的摻鐿雙包層光纖激光器 [16]，其功率而后又被提高，中國(guó)兵器裝備研究院報(bào)道了突破 1KW 功率的光纖激光器，清華大學(xué)在多波長(zhǎng)光纖激光器和鎖模脈沖光纖激光器方面做了很多有進(jìn)展性的出色工作 [1719]，總體而言，由于受基礎(chǔ)條件方面的制約，國(guó)內(nèi)光纖激光器研究同國(guó)際水平還有相當(dāng)大的差距。 國(guó)外有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)人員對(duì) DBR 和 DFB 光纖激光器開(kāi)展了全面的研究。其中 所在的 EastHartford 聯(lián)合科技研究中心最先開(kāi)展了將光柵直接寫在摻雜光纖上形成腔結(jié)構(gòu)，泵浦光源通過(guò) WDM 對(duì)其進(jìn)行泵浦而得到激光輸出，從而實(shí) 現(xiàn)所謂 DBR型光纖激光器 [2022]。由于作為干涉光源以及傳感等應(yīng)用的背景，對(duì)單頻操作 DBR 的研究廣泛的開(kāi)展起來(lái)。利用短腔長(zhǎng)高摻雜的 DBR、復(fù)合腔結(jié)構(gòu)或 DFB 結(jié)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻操作一一被提出來(lái)。 Sigurd 所在的澳大利亞的 CRC 光子中心對(duì) DFB 光纖激光器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)和多波長(zhǎng)操作分析 [2324]，同時(shí)探討了利用 DFB 光纖激光器對(duì)聲響應(yīng)的情況，并測(cè)試了 DFB 光纖激光器對(duì)空氣中聲場(chǎng)的響應(yīng)； Scott 所在的澳大利亞的國(guó)防科學(xué)科技組織從理論到實(shí)驗(yàn)研究了 DFB 光纖激光器的空間模結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)噪聲 [2527]，希望實(shí) 現(xiàn)基于 DFB 光纖激光器的水聽(tīng)器；英國(guó)的那安普頓大學(xué)的 Kuthan 等人從理論上提出了改變DFB 光纖激光器對(duì)稱結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)提高輸出效率降低泵浦域值目的 [28]，同時(shí)研究了混合摻雜的 DFB 光纖激光器 [29]，同樣希望將其應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。 在 20 世紀(jì) 90 年代，世界范圍的光纖傳感技術(shù)呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，主要形成了軍事和民用兩大應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括：國(guó)土安全防衛(wèi)系統(tǒng)、工業(yè)安全檢測(cè)系統(tǒng)以及用于石油化工、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域的光纖檢測(cè)系統(tǒng)。在此同時(shí)光纖激光傳感技術(shù)也開(kāi)始形成，在 1995 年， 美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室 的 等 人 [30]首次將光纖激光器應(yīng)用到 光纖傳感領(lǐng)域 ，這不僅推動(dòng)了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，而且標(biāo)準(zhǔn)著光纖激光傳感技術(shù)的誕生。在此之后許多機(jī)構(gòu)對(duì)光纖激光傳感技術(shù)就開(kāi)始了深入的研究，并且積極的拓展其應(yīng)用的領(lǐng)域，如美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（ NRL）、英國(guó)國(guó)防研究局（ DERA）、 澳大利亞國(guó)防科學(xué)與技術(shù)組織 （ DSTO）和 美國(guó)利通資源勘探儀器公司 （ Litton）等。 自 從 1996 年起英國(guó) 國(guó)防研究局（ DERA） 聯(lián)合 Aston 大學(xué)和 Kent 大學(xué)開(kāi)展了光纖激光水聽(tīng)器的研 究 [31]， 并 于2021 年報(bào)道了 8 點(diǎn)光纖激光水聽(tīng)器波分復(fù)用 技術(shù) [32]； 2021 年澳大利亞 國(guó)防科學(xué)與技術(shù)組織（ DSTO） 實(shí)現(xiàn)了單纖 16 點(diǎn)波分復(fù)用光纖激光水聽(tīng)器陣列 [33]， 這是目前已報(bào)道的單哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 纖最大規(guī)模的光纖激光傳感器陣列 ； 2021 年美國(guó) 等報(bào)道了 DFB 光纖激光加速度計(jì) [34]； 2021 年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室 等報(bào)道了用于海底微弱磁場(chǎng)探測(cè)的 DFB光纖激光磁力計(jì) [35]。 近年來(lái)國(guó)內(nèi) 光纖傳感技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了工程應(yīng)用的階段，并且 在光纖激光傳感技術(shù)方面也取得了一些研究成果 。 光纖激光傳感技術(shù) 光纖激光傳感器主要是由光纖激光器、傳輸光纖、傳感器件和信號(hào)檢測(cè)部 分組成。描述光纖激光器的特征參量主要由光強(qiáng)、相位、波長(zhǎng)和偏振態(tài)等，對(duì)于這些參量極易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)及一些化學(xué)物質(zhì)等。光纖激光傳感技術(shù)就是檢測(cè)各個(gè)特征參量隨外界因素變化的大小實(shí)現(xiàn)傳感的功能。 光纖激光器在傳感 領(lǐng)域中的應(yīng)用，按其檢測(cè)的參量 的 不同可分為：相位 調(diào)制 型、強(qiáng) 度調(diào)制 型、波長(zhǎng) 調(diào)制 型和偏振態(tài) 調(diào)制 型。 本論文中以 DFB 光纖激光器作為核心器件，通過(guò)相位調(diào)制型和強(qiáng)度調(diào)制型兩種信號(hào)解調(diào)方案，對(duì)其在光纖激光傳感領(lǐng)域進(jìn)行研究和討論。相位調(diào)制型光纖激光傳感器是以光纖中的相位變化來(lái)表示被測(cè)物理量，被測(cè) 物理量的微小變化就會(huì)引起光纖中的相位的明顯變化，理論上這種相位檢測(cè)可達(dá)到 106rad 的高靈敏度。因此這種基于相位調(diào)制的光纖激光傳感器具有很高的靈敏度，與此同時(shí)也極易受到外界環(huán)境噪聲的干擾。強(qiáng)度調(diào)制型光纖激光傳感器的原理比較簡(jiǎn)單，就是利用外界因素引起光纖中光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量外界的物理量。 DFB 光纖激光器和 DBR 光纖激光器是很重要的兩種光纖激光器， DFB 光纖激光器在傳感中有很多應(yīng)用，可以檢測(cè)溫度、縱橫向壓力、聲壓等不同的量，當(dāng)這些傳感參量對(duì) DFB 光柵的周期等擾動(dòng)，使得激光的輸出波長(zhǎng)（頻率）發(fā)生改變，通過(guò)探測(cè)相 應(yīng)的波（頻率）改變可以檢測(cè)外界的變化?，F(xiàn)有的光纖布拉格光柵振動(dòng)傳感器，是通過(guò)粘在梁上的光纖布拉格光柵的收縮與伸長(zhǎng)，從而使布拉格波長(zhǎng)發(fā)生變化的一種波長(zhǎng)調(diào)制型振動(dòng)傳感器 [36]。 DFB 光纖激光器水聽(tīng)器屬于 DFB 光纖激光器傳感應(yīng)用的一方面， DFB 光纖激光水聽(tīng)器技術(shù)近年來(lái)在水聲探測(cè)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，在應(yīng)用上它的優(yōu)點(diǎn)是傳感信息直接由波長(zhǎng)編碼，不受總光強(qiáng)變化、光纖連接、耦合損失、光源功率變化的影響，所以傳輸信號(hào)不易受到干擾，另外由于光纖光柵傳感具有波長(zhǎng)編碼的特性，因此能方便地利用 WDM（波分復(fù)用）技術(shù)在同一根光纖中串 接多個(gè)水聽(tīng)器進(jìn)行分布式測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)全光纖探測(cè)和傳輸，使得水聽(tīng)器陣列的重量和尺寸很大程度上得到精簡(jiǎn) [37]。 第 1 章 緒論 5 研究的目的及意義 本論文的主要目的是在分析 DFB光纖激光器的特性基礎(chǔ)上，利用其具備的優(yōu)異性能開(kāi)展 DFB光纖激光水聽(tīng)器的研究。由于現(xiàn)今對(duì)水聲信號(hào)探測(cè)的廣泛需求，使得 DFB光纖激光水聽(tīng)器具有廣闊應(yīng)用前景。軍用方面可以成為一種新型水聽(tīng)器，用于艦艇監(jiān)測(cè)等；稍加改裝 DFB光纖激光水聽(tīng)器系統(tǒng)將可以應(yīng)用于民用，如輔助油田勘探、海洋河流資源開(kāi)發(fā)和地震監(jiān)測(cè)環(huán)境噪聲評(píng)估。 DFB光纖激光器由于極高復(fù)用度、極小尺度 以及對(duì)環(huán)境微擾的高響應(yīng)度等優(yōu)點(diǎn)滿足光纖聲波探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，從而其備受聲波探測(cè)領(lǐng)域的關(guān)注，有望成為新一代高靈明度的光纖傳感器件。 本論文主要工作 本論文的工作以 DFB 光纖激光器為核心，對(duì)其的基本原理和特性進(jìn)行理論的分析，并利用 DFB 光纖激光器作為傳感單位，研究其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，本論文主要對(duì) DFB光纖激光水聽(tīng)器的應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的研究。 論文的主要內(nèi)容如下： 第一部分介紹了光纖激光傳感器的基本概況和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，以及本論文研究的目的和意義，并提出了本論文主要工作內(nèi)容。 第二部分在介紹了 DFB 光纖激光器基本理論的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的對(duì) DFB 光纖激光器的特性進(jìn)行理論的分析和計(jì)算，包括光場(chǎng)的分布、激光器的出射光強(qiáng)、泵浦的閾值及增益等。通過(guò)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，了解現(xiàn)有的 DFB 光纖激光器的特性。 第三部分 開(kāi)展了相位調(diào)制型 DFB 光纖激光水聽(tīng)器的研究，包括其光路、硬件電路和軟件解調(diào)三個(gè)部分；通