可调谐光纤激光器及其传感应用研究

摘要

光纤激光器早在上个世纪六十年代开始出现，八十年代得到重大突破，随着掺铒光纤放大器的首次报道，特种结构光纤和掺杂不同稀土元素的光纤激光器得到了飞速发展。此后一系列使用连续波或脉冲光纤激光器的应用得到了越来越广泛的研究。可调谐光纤激光器的研制主要集中在短脉冲输出和可调谐波长范围扩展。在可调谐光纤激光器中，调Q和锁模是实现脉冲光纤激光器的两种主要方式。本论文对线型腔掺铒光纤单模光纤激光器及其振动传感应用、可调谐单模-无芯-单模光纤结构滤波器、波长可调谐光纤激光器及其液位传感应用、低重复频率主动式调Q光纤激光器和基于线型腔和环型腔相结合的多波长掺铒光纤激光器等不同类型光纤激光器及部分相应的传感应用进行了研究，主要取得的研究成果如下：
　　（1）研究了无芯光纤内相干光传输过程中引起的自映像效应，建立自映像效应理论模型，从传播常数和导模传输法进行理论推导和分析，基于光束传播法对无芯光纤内光场的传输过程进行了仿真，模拟得到了光场能量在无芯光纤内的重新分布，无芯光纤的自映像周期14.6 mm，不同长度无芯光纤对应不同的自映像峰波长。
　　（2）基于单模-无芯-单模光纤结构，设计了一种可同时作为可调谐滤波器和液位测量传感单元的环型腔光纤激光器，实现了宽带范围内波长随液位变化可调的稳定激光输出。基于大气压强平衡原理设计了一种大量程光纤液位传感器，实现了50 cm量程的液位传感测量，精度达1％，灵敏度108.8 pm/mm。
　　（3）设计了一种结构简单的线型腔单波长掺铒光纤激光器，输出波长1550 nm，并将其作为光源应用于光纤振动传感装置。采用单模-无芯-单模光纤传感结构，由信号发生器和压电陶瓷提供振动源，基于强度调制原理，在传感结构中传输的光强会随振动源频率发生周期性的变化，从而实现振动频率测试，低频探测频率为10 Hz，高频探测频率为60 kHz。
　　（4）设计并实验验证了一种低重复频率主动式调Q脉冲光纤激光器，在基本的线型腔掺铒光纤激光器中通过使用一个法拉第旋转镜和两个光纤光栅，引入声光调制器，分别实现了单/双波长的主动式调Q激光脉冲输出，得到的调Q脉冲重复频率范围在1 kHz-20 kHz，且在调Q和未调Q状态下分别可以实现单个波长滤波输出。
　　（5）通过将线型腔和环型腔相结合，研究出一种基于自种子光放大和波长相关增益的多波长掺铒光纤激光器，通过引入高功率掺铒光纤放大器、泵浦掺铒光纤、高非线性光纤等核心组件，实现了0.2 nm波长间隔最多38个激光波长的输出，功率平坦度为3dB，稳定性相当可靠。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 光纤激光器概述

1.3 多波长及脉冲掺铒光纤激光器及应用

1.4 基于光纤激光器的传感应用

1.5 本论文的主要研究工作

2 多模光纤自映像效应原理及仿真

2.1 自映像效应理论研究

2.2 单模-无芯-单模光纤传感器自映像效应数值模拟

2.3 本章小结

3 基于可调谐光纤激光器的液位传感理论与实验研究

3.1 光纤激光器的结构与原理分析

3.2 环型腔可调谐光纤激光器

3.3 大量程液位传感器结构设计与分析

3.4 大量程液位测量实验研究

3.5 本章小结

4 基于线型腔掺铒光纤激光器的振动传感应用研究

4.1 线型腔掺铒光纤激光器理论与实验研究

4.2 光纤振动传感器结构设计与仿真

4.3 透射式光纤振动传感实验研究

4.4 本章小结

5 低重复频率脉冲光纤激光器理论与实验研究

5.1 低重复频率脉冲光纤激光器理论研究

5.2 低重复频率脉冲光纤激光器实验研究

5.3 双波长低重复频率调Q光纤激光器滤波实验研究

5.4 基于自种子光放大和波长相关增益的多波长掺铒光纤激光器

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士期间发表论文目录