光纖傳感器及傳感用短脈沖光源研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)、航空、民用工程、空間技術(shù)、軍事等領(lǐng)域自動化和智能化的發(fā)展，對各種場（如壓力場、溫度場、電磁場、流速場等）的時空分布狀態(tài)進(jìn)行測量和實(shí)時監(jiān)控越來越迫切。這些應(yīng)用要求的實(shí)現(xiàn)取決于傳感技術(shù)的發(fā)展。隨著工程技術(shù)系統(tǒng)自動化程度和復(fù)雜性的增加，對傳感的精度、可靠性、信息容量及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的要求也不斷提高，因此，研究適應(yīng)實(shí)際需要的新的傳感器技術(shù)是一個熱門課題。本論文結(jié)合傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)選題，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價值。主要內(nèi)容如下：

2、
　　 1.理論和實(shí)驗兩個方面對摻鉺光纖激光器的時域特性進(jìn)行了研究。理論模型從激光器的基本速率方程出發(fā)，通過求解增益光纖中的功率傳輸方程，得到激光器的時域輸出特性。詳細(xì)研究了激光器時域輸出特性、穩(wěn)態(tài)輸出功率以及振蕩脈沖峰值功率隨增益光纖長度、泵浦功率、腔內(nèi)損耗及輸出耦合比的變化規(guī)律。實(shí)驗上采用方波調(diào)制的半導(dǎo)體激光器泵浦摻鉺光纖，觀察激光器的時域輸出特性。研究了泵浦功率以及腔損耗對激光器弛豫振蕩的影響。給出了激光建立的延遲時間與泵

3、浦高低電平功率的關(guān)系。理論模擬與實(shí)驗結(jié)果符合很好。
　　 2.將光纖激光器的弛豫振蕩特性應(yīng)用到傳感領(lǐng)域中。通過合理的設(shè)計光纖激光器的結(jié)構(gòu)，將待測物理量的變化引入到腔內(nèi)，改變諧振腔的損耗，進(jìn)而影響激光器輸出的時域特性。將待測參量的測量轉(zhuǎn)化為激光建立的延遲時間的測量。基于此原理，設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，分別對應(yīng)變、液體折射率和氣體濃度進(jìn)行了檢測。
　　 應(yīng)變傳感器是利用FBG對應(yīng)變的敏感特性實(shí)現(xiàn)傳感的。應(yīng)變導(dǎo)致Bragg

4、波長的變化，引起諧振腔內(nèi)損耗的改變，通過測量激光建立的延遲時間的變化獲得應(yīng)變的信息。提出了兩種不同結(jié)構(gòu)的光纖應(yīng)變傳感器，分別研究了泵浦功率對傳感器性能的影響。在泵浦高、低電平功率分別為32mW、6mW及25mW、5.9mW時，對應(yīng)變進(jìn)行了測量，兩種傳感器的靈敏度分別為0.14μs/με和0.33μs/με.
　　 液體折射率傳感器是基于LPG對環(huán)境的敏感特性實(shí)現(xiàn)折射率測量的。外界折射率的改變引起LPG透射譜的變化，導(dǎo)致諧振腔損耗

5、發(fā)生改變，激光建立的延遲時間隨之改變。折射率的大小是通過測量激光建立的延遲時間來獲得的。當(dāng)高電平功率為20mW，低電平功率為7.9mW時，傳感器的折射率靈敏度為3.5ms。
　　 基于鉺光纖激光器的時域特性設(shè)計了一種氣體濃度傳感器。用光纖環(huán)全反鏡和FBG構(gòu)成F-P線形腔，通過調(diào)節(jié)光柵的反射波長，使激光激射波長處于待測氣體的吸收峰上。由于氣體對光的吸收，使得氣體濃度的改變引起諧振腔損耗的變化，進(jìn)而影響激光建立的延遲時間。通過測量延

6、遲時間可以得到待測氣體的濃度。在泵浦高低電平功率分別為25mW和5.9mW時，測得傳感器的靈敏度為11ps/ppm。
　　 3.采用模式展開法分析了階躍折射率多模光纖中的干涉現(xiàn)象，模擬給出了多模光纖內(nèi)光波場的分布?；趫A形階躍折射率多模光纖中的多模干涉原理設(shè)計了多模干涉型光纖傳感器，分別對應(yīng)變和溫度進(jìn)行了測量。傳感器是通過測量發(fā)生干涉的波長來獲得待測物理量的信息。在應(yīng)變變化范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變量的增大，波長向短波方向移動，傳感器的應(yīng)