【文章內容簡介】 3。44 弱反饋效應的傳感研究 47 本章小結 51 DFB 光纖激光傳感器的研究 V 結論與展望 52 參考文獻 54 攻讀碩士學位期間發(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體激光器生產技術的不斷成熟，以光纖作為介質的光纖激光器成為了現(xiàn)今研究的熱點之一。光纖激光器早在 60 年代時 就已經出現(xiàn)了。 70 年代以來，由于光纖制備技術的提高以及激光器諧振腔結構的改進，使得光纖激光器在這一時期有了很大的發(fā)展，尤其是在 80 年代的中期成功的研制出了摻鉺光纖，使得人們對利用摻稀土元素作為增益介質的光纖激光器產生了極大的興趣，并且光纖激光器相對于半導體激光器具有制作工藝簡單、研究成本較低等突出的優(yōu)點，同時光纖激光器在降低泵浦閾值和波長可調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用前景 [1]。 光纖激光器的優(yōu)勢 [2]主要表現(xiàn)以下幾個方面： 光束質量好，具有很好的單色性、穩(wěn)定 性和方向性； 基質材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，散熱快，工作物質的熱負荷小，無需冷卻系統(tǒng)，能產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，同時又是光的導波介質，泵浦光的耦合效率很高，纖芯直徑小，纖內易形成高功率密度，光纖激光器能方便地延長增益長度，使泵浦光充分吸收，使總體的光與光轉換效率超過 60%； 硅光纖的制造工藝現(xiàn)在已經非常成熟，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； 作為激光增益介質的摻雜光纖，摻雜稀土離子擁有極為豐富的能級結構，能級躍遷覆蓋了 從紫外到紅外很寬的波段，具有很多能實現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級； 結構簡單，體積小，工作物質為柔性介質，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，在光纖通信、光纖傳感、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領域得到了廣泛的應用。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，在密集波分復用系統(tǒng)中具有巨大的潛在應用能力，光纖激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度，更遠的傳輸哈爾濱工程大學碩士學位論文 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、波長型、光強型和偏振態(tài)型等傳感系統(tǒng)中，可以測量道路 [3]、橋梁 [4]、天然氣井的壓力，可以測量水下信號即水聽器 [5]，可以對機翼進行健康監(jiān)控 [6]等；在工業(yè)方面，光纖激光器廣泛應用于材料加工處理、激光雕刻、激光產品打標、激光焊接、焊縫清理、精密打孔和激光圖形藝術成像 [7]等；在醫(yī)療方面，基于光纖激光器的優(yōu)勢，光纖激光器使能縮短組織脫落和光致凝結的手術時間，同時使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠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打擊并摧毀目標，在定位、測距、遙感、跟蹤制導、激光雷達系統(tǒng)傳感技術和空間技術等方面有著重要的應用前景 [9]。 隨著紫外寫入光纖光柵技術的日益發(fā)展，以光纖光柵技術為基礎的光纖光柵激光器成為了光纖激光器領域和傳感領域研究的熱點之一 [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成，光纖和光纖元件之間熔接在一起，這樣形成的連接結構和連接參數將長期保持穩(wěn)定，光纖和光纖元件本身能長期穩(wěn)定，因此整個光路長期穩(wěn)定，無需維護，半導體激光器的不可維修性相比 ，全光纖激光器的可維護性和可維修性表現(xiàn)突出，與氣體和固體等激光器需要頻繁的維護和維修相比，全光纖激光器光路的免維護特性優(yōu)點突出。光纖光柵是構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、結構簡單、波長選擇容易且可精確確定、線寬窄、高頻調制下的頻率啁啾效應極小、抗電磁干擾、穩(wěn)定性高，與外調制器相結合，由于以上的優(yōu)點，光纖光柵型激光器在各個領域有著廣闊的應用前景 [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，還有只用一個光柵實現(xiàn)光反饋和波長的選擇，故穩(wěn)定性更好。本文主要對 DFB 光纖激光器的基本理論和在光纖傳感領域的應用進行深入的研究。 國內外發(fā)展 概況 我國國內光纖激光器目前已經得到一定程度的發(fā)展，國內的一些單位如上海光機所、清華大學、北京郵電大學、華中科技大學、中國科技大學、天津大學等從八十年 代末進入光纖激光器的研究領域，經過努力獲得了一定進展。國內從 80 年代末和 90 年代初，在上海硅酸鹽研究所、天津 46 所、上海光機所、西安光機所、半導體研究所、復第 1 章 緒論 3 旦大學、天津大學、清華大學、北京郵電大學等國內科研單位先后開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]。南開大學、上海光學精密機械研究所開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 光柵方面取得了開創(chuàng)性成果 [15]，烽火通信科技股份有限公司與上海光機所于 2021年合作，順利研制出輸出功率高達 440W 的摻鐿雙包層光纖激光器 [16]，其功率而后又被提高，中國兵器裝備研究院報道了突破 1KW 功率的光纖激光器，清華大學在多波長光纖激光器和鎖模脈沖光纖激光器方面做了很多有進展性的出色工作 [1719]，總體而言，由于受基礎條件方面的制約，國內光纖激光器研究同國際水平還有相當大的差距。 國外有多個研究機構人員對 DBR 和 DFB 光纖激光器開展了全面的研究。其中 所在的 EastHartford 聯(lián)合科技研究中心最先開展了將光柵直接寫在摻雜光纖上形成腔結構，泵浦光源通過 WDM 對其進行泵浦而得到激光輸出，從而實 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用的背景，對單頻操作 DBR 的研究廣泛的開展起來。利用短腔長高摻雜的 DBR、復合腔結構或 DFB 結構等來實現(xiàn)穩(wěn)定的單頻操作一一被提出來。 Sigurd 所在的澳大利亞的 CRC 光子中心對 DFB 光纖激光器進行了動態(tài)和多波長操作分析 [2324]，同時探討了利用 DFB 光纖激光器對聲響應的情況，并測試了 DFB 光纖激光器對空氣中聲場的響應； Scott 所在的澳大利亞的國防科學科技組織從理論到實驗研究了 DFB 光纖激光器的空間模結構和動態(tài)噪聲 [2527]，希望實 現(xiàn)基于 DFB 光纖激光器的水聽器；英國的那安普頓大學的 Kuthan 等人從理論上提出了改變DFB 光纖激光器對稱結構從而實現(xiàn)提高輸出效率降低泵浦域值目的 [28]，同時研究了混合摻雜的 DFB 光纖激光器 [29]，同樣希望將其應用于傳感領域。 在 20 世紀 90 年代，世界范圍的光纖傳感技術呈現(xiàn)出產業(yè)化發(fā)展的趨勢，主要形成了軍事和民用兩大應用領域，其中包括：國土安全防衛(wèi)系統(tǒng)、工業(yè)安全檢測系統(tǒng)以及用于石油化工、生物醫(yī)學和環(huán)境等領域的光纖檢測系統(tǒng)。在此同時光纖激光傳感技術也開始形成，在 1995 年， 美國海軍實驗室 的 等 人 [30]首次將光纖激光器應用到 光纖傳感領域 ，這不僅推動了光纖傳感技術的發(fā)展，而且標準著光纖激光傳感技術的誕生。在此之后許多機構對光纖激光傳感技術就開始了深入的研究，并且積極的拓展其應用的領域，如美國海軍實驗室（ NRL）、英國國防研究局（ DERA）、 澳大利亞國防科學與技術組織 （ DSTO）和 美國利通資源勘探儀器公司 （ Litton）等。 自 從 1996 年起英國 國防研究局（ DERA） 聯(lián)合 Aston 大學和 Kent 大學開展了光纖激光水聽器的研 究 [31]， 并 于2021 年報道了 8 點光纖激光水聽器波分復用 技術 [32]； 2021 年澳大利亞 國防科學與技術組織（ DSTO） 實現(xiàn)了單纖 16 點波分復用光纖激光水聽器陣列 [33]， 這是目前已報道的單哈爾濱工程大學碩士學位論文 4 纖最大規(guī)模的光纖激光傳感器陣列 ； 2021 年美國 等報道了 DFB 光纖激光加速度計 [34]； 2021 年美國海軍實驗室 等報道了用于海底微弱磁場探測的 DFB光纖激光磁力計 [35]。 近年來國內 光纖傳感技術已經進入了工程應用的階段，并且 在光纖激光傳感技術方面也取得了一些研究成果 。 光纖激光傳感技術 光纖激光傳感器主要是由光纖激光器、傳輸光纖、傳感器件和信號檢測部 分組成。描述光纖激光器的特征參量主要由光強、相位、波長和偏振態(tài)等，對于這些參量極易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、壓力、應變、振動及一些化學物質等。光纖激光傳感技術就是檢測各個特征參量隨外界因素變化的大小實現(xiàn)傳感的功能。 光纖激光器在傳感 領域中的應用，按其檢測的參量 的 不同可分為：相位 調制 型、強 度調制 型、波長 調制 型和偏振態(tài) 調制 型。 本論文中以 DFB 光纖激光器作為核心器件，通過相位調制型和強度調制型兩種信號解調方案，對其在光纖激光傳感領域進行研究和討論。相位調制型光纖激光傳感器是以光纖中的相位變化來表示被測物理量，被測 物理量的微小變化就會引起光纖中的相位的明顯變化，理論上這種相位檢測可達到 106rad 的高靈敏度。因此這種基于相位調制的光纖激光傳感器具有很高的靈敏度，與此同時也極易受到外界環(huán)境噪聲的干擾。強度調制型光纖激光傳感器的原理比較簡單，就是利用外界因素引起光纖中光強的變化來測量外界的物理量。 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用，可以檢測溫度、縱橫向壓力、聲壓等不同的量，當這些傳感參量對 DFB 光柵的周期等擾動，使得激光的輸出波長（頻率）發(fā)生改變，通過探測相 應的波（頻率）改變可以檢測外界的變化?，F(xiàn)有的光纖布拉格光柵振動傳感器，是通過粘在梁上的光纖布拉格光柵的收縮與伸長，從而使布拉格波長發(fā)生變化的一種波長調制型振動傳感器 [36]。 DFB 光纖激光器水聽器屬于 DFB 光纖激光器傳感應用的一方面， DFB 光纖激光水聽器技術近年來在水聲探測領域得到了迅速發(fā)展，在應用上它的優(yōu)點是傳感信息直接由波長編碼，不受總光強變化、光纖連接、耦合損失、光源功率變化的影響，所以傳輸信號不易受到干擾，另外由于光纖光柵傳感具有波長編碼的特性，因此能方便地利用 WDM（波分復用）技術在同一根光纖中串 接多個水聽器進行分布式測量，從而實現(xiàn)全光纖探測和傳輸，使得水聽器陣列的重量和尺寸很大程度上得到精簡 [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上，利用其具備的優(yōu)異性能開展 DFB光纖激光水聽器的研究。由于現(xiàn)今對水聲信號探測的廣泛需求，使得 DFB光纖激光水聽器具有廣闊應用前景。軍用方面可以成為一種新型水聽器，用于艦艇監(jiān)測等；稍加改裝 DFB光纖激光水聽器系統(tǒng)將可以應用于民用，如輔助油田勘探、海洋河流資源開發(fā)和地震監(jiān)測環(huán)境噪聲評估。 DFB光纖激光器由于極高復用度、極小尺度 以及對環(huán)境微擾的高響應度等優(yōu)點滿足光纖聲波探測的發(fā)展趨勢，從而其備受聲波探測領域的關注，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，對其的基本原理和特性進行理論的分析，并利用 DFB 光纖激光器作為傳感單位，研究其在傳感領域的應用，本論文主要對 DFB光纖激光水聽器的應用進行了細致的研究。 論文的主要內容如下： 第一部分介紹了光纖激光傳感器的基本概況和國內外的發(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容。 第二部分在介紹了 DFB 光纖激光器基本理論的基礎上，詳細的對 DFB 光纖激光器的特性進行理論的分析和計算，包括光場的分布、激光器的出射光強、泵浦的閾值及增益等。通過性能測試實驗，了解現(xiàn)有的 DFB 光纖激光器的特性。 第三部分 開展了相位調制型 DFB 光纖激光水聽器的研究，包括其光路、硬件電路和軟件解調三個部分；通