窄線寬低噪聲摻鉺光纖激光器以及新型光纖氣體傳感器的研究.pdf

1、光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。光纖具有傳輸損耗低、不帶電、抗電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、高壓、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境，光纖傳感器的研究一直都是一個(gè)熱門課題。近年來(lái)，光纖傳感器不僅在高、精、尖領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域也被迅速推廣，已開始應(yīng)用在礦山、橋梁、建筑、石化、電力、鋼鐵、核工業(yè)、飛機(jī)、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域之中。光纖傳感器被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向，最具有發(fā)展

2、前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
　　本論文研究?jī)?nèi)容主要包括兩部分:一部分是窄線寬低噪聲光纖光柵激光器，主要研究了相移光纖光柵的光譜特性和光纖激光器輸出特性，設(shè)計(jì)了基于注入鎖模結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔摻鉺光纖光柵激光器和復(fù)合腔結(jié)構(gòu)的線型腔摻鉺光纖光柵激光器;另一部分是光纖氣體檢測(cè)技術(shù)，研究了基于吸收光譜的光纖氣體檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于可調(diào)諧激光吸收光譜的光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)和基于雙波長(zhǎng)差分吸收光譜的有源光纖ring-down氣體檢測(cè)系統(tǒng)。本文具體研究?jī)?nèi)容為

3、:
　　1.采用耦合模理論和傳輸矩陣法對(duì)光纖光柵以及相移光纖光柵的光譜特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了光柵設(shè)計(jì)參數(shù)，為優(yōu)化分布反饋式光纖激光器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo);研究了基于氬離子倍頻激光器以及相位抖動(dòng)法的光纖光柵制作系統(tǒng)，制作了π相移光纖光柵。
　　2.設(shè)計(jì)了一種自注入鎖模結(jié)構(gòu)的光纖光柵激光器。通過(guò)將分布反饋式光纖激光器產(chǎn)生的部分輸出光經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振控制器形成單偏振激光，然后重新注入其諧振腔進(jìn)行再放大，利用光纖的交叉相位調(diào)制效應(yīng)實(shí)

4、現(xiàn)模式的鎖定，形成穩(wěn)定的單偏振激光輸出，與鎖模之前相比，偏振度從0.165提高到0.989，線寬被壓縮了一半，輸出功率的自脈動(dòng)從4dBm降低到0.1dBm。
　　3.通過(guò)上述自注入鎖模技術(shù)可以有效降低光纖激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。當(dāng)泵浦光為25mW時(shí)，在弛豫振蕩頻率附近相對(duì)強(qiáng)度噪聲被壓縮16dB/Hz，并且觀察到弛豫振蕩峰向低頻移動(dòng)，從74.5kHz移動(dòng)到41kHz;不僅在弛豫振蕩峰附近的噪聲得到抑制，在中頻波段的相對(duì)強(qiáng)度噪聲也得到有

5、效抑制;研究了不同泵浦功率下弛豫振蕩頻移的規(guī)律。該研究可有效提高激光器的輸出特性，有利于具體應(yīng)用中選擇有效頻率區(qū)間，提高應(yīng)用的信噪比。
　　4.設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合腔結(jié)構(gòu)的光纖光柵激光器。通過(guò)將一個(gè)π相移光纖光柵引入傳統(tǒng)的DBR諧振腔作為選波器件，可以增加作為增益介質(zhì)的摻雜光纖長(zhǎng)度，提高泵浦吸收率，同時(shí)獲得單模窄線寬激光輸出;使用低摻雜濃度的鉺纖，降低了相對(duì)強(qiáng)度噪聲。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了線寬為900Hz，強(qiáng)度噪聲為-95dB/Hz的激光輸出

6、，泵浦閾值為幾個(gè)mW，邊模抑制比大于67dB。
　　5.設(shè)計(jì)了基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)，采用內(nèi)部參考?xì)馐覍?shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷吸收光譜的實(shí)時(shí)定位和自適應(yīng)調(diào)整;通過(guò)對(duì)吸收譜基線歸一化，實(shí)時(shí)修正了光源功率起伏及光路損耗變化的影響;開展了光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)在一些工業(yè)生產(chǎn)中的工程應(yīng)用。
　　6.采用在甲烷傳感器氣室內(nèi)置入光纖光柵的方法設(shè)計(jì)了甲烷氣體濃度與溫度雙參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以同時(shí)檢測(cè)氣體濃度和溫度，還可以對(duì)兩參數(shù)進(jìn)行修

7、正。通過(guò)光纖光柵波長(zhǎng)的變化獲取溫度信息，實(shí)時(shí)校正不同溫度下氣體吸收系數(shù)變化導(dǎo)致的濃度測(cè)量誤差，同時(shí)氣體吸收峰的位置可以準(zhǔn)確定位光柵波長(zhǎng)，從而修正了溫度的測(cè)量誤差。
　　7.設(shè)計(jì)了一種基于雙波長(zhǎng)差分吸收方法的新型有源光纖環(huán)形Ring-down氣體檢測(cè)系統(tǒng)。選擇兩個(gè)不同波長(zhǎng)的激光器作為光源，其中一個(gè)波長(zhǎng)覆蓋被測(cè)氣體的吸收峰，作為傳感信號(hào);另一個(gè)波長(zhǎng)不覆蓋被測(cè)氣體的吸收峰，作為參考信號(hào)。兩激光器通過(guò)脈沖信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，由驅(qū)動(dòng)控制交替產(chǎn)

8、生光脈沖信號(hào)注入到同一個(gè)光纖環(huán)Ring-down腔中。通過(guò)比較傳感信號(hào)和參考信號(hào)，可有效消除腔凈損耗變化以及系統(tǒng)中光電器件引起的信號(hào)起伏影響。選用帶有自動(dòng)增益控制的EDFA補(bǔ)償光信號(hào)在ring-down腔中的損耗，可以增加光脈沖在環(huán)形腔中的繞行次數(shù)，提高氣體檢測(cè)的靈敏度。該方法為光纖ring-down腔氣體檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用，尤其長(zhǎng)距離傳感提供了有效手段。
　　本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.設(shè)計(jì)了一種自注入鎖模結(jié)構(gòu)的光纖激

9、光器，通過(guò)將分布反饋式光纖激光器產(chǎn)生的部分輸出光經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振控制器形成單偏振激光，然后將其作為種子源重新注入諧振腔進(jìn)行再放大，利用光纖的交叉相位調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)模式的鎖定，形成穩(wěn)定的單偏振激光輸出。與鎖模之前相比，偏振度從0.165提高到0.989，線寬被壓縮了一半，相對(duì)強(qiáng)度噪聲被壓縮16dB/Hz。
　　2.通過(guò)將一個(gè)π相移光纖光柵引入傳統(tǒng)的DBR諧振腔作為選波器件，可以增加作為增益介質(zhì)的摻雜光纖長(zhǎng)度，提高泵浦吸收率，同時(shí)還保證單模

10、窄線寬激光輸出;使用低摻雜濃度的摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)功率為mW量級(jí)、線寬為900Hz、強(qiáng)度噪聲為-95dB/Hz的激光輸出。
　　3.采用在甲烷傳感器氣室內(nèi)置入光纖光柵的方法設(shè)計(jì)了甲烷氣體濃度與溫度雙參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以同時(shí)檢測(cè)氣體濃度和溫度，還可以對(duì)兩參數(shù)進(jìn)行修正。通過(guò)光纖光柵波長(zhǎng)的變化獲取溫度信息，實(shí)時(shí)校正不同溫度下氣體吸收系數(shù)變化導(dǎo)致的濃度測(cè)量誤差，同時(shí)氣體吸收峰的位置可以準(zhǔn)確定位光柵波長(zhǎng)，從而修正了溫度的測(cè)量誤差。

11、　　4.首次將光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)用于煤礦采空區(qū)、瓦斯抽采發(fā)電、垃圾發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中，傳感探頭不帶電，本質(zhì)安全，可遠(yuǎn)距離傳輸，工作人員不必去現(xiàn)場(chǎng)即可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)氣體濃度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
　　5.首次設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)差分吸收的有源光纖環(huán)形Ring-down氣體檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)選擇兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光源進(jìn)行檢測(cè)，其中一個(gè)波長(zhǎng)覆蓋被測(cè)氣體的吸收峰，作為傳感信號(hào);另一個(gè)波長(zhǎng)不覆蓋被測(cè)氣體的吸收峰，作為系統(tǒng)腔固有損耗的參考信號(hào)。通過(guò)兩信號(hào)對(duì)比，能夠