基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统的研究

摘要

混沌激光以其宽带性、随机性和类delta函数的特性被广泛应用于保密通信、传感、测距领域。掺铒光纤激光器因其低阈值、高功率、精密化、高兼容性，加之工作波长处于光纤通信的最低损耗窗口等特点，作为一种目标光源成为研究的热点。因此，利用掺铒光纤激光器研究混沌激光光源的特性，在光纤传感、系统检测、光通信、医学等领域具有潜在的应用价值。
　　由于复杂的材料特性以及地域条件的特性，静冰压力的检测及其技术成为冰力学研究的一个难题。光纤Bragg光栅具有低损耗、抗干扰、抗腐蚀、分布式测量、多参数敏感以及适于危险环境等优点，已成为智能材料系统、结构健康检测研究和应用中最具开发潜力的敏感元件之一，在军事、电力工业、环境监测、生物医学和民用工程领域均具有广泛的应用前景。本文利用混沌激光的自相关原理，以光纤Bragg光栅(FBG)为敏感元件，设计了基于掺铒光纤混沌激光的Bragg光栅压力传感系统并从掺铒光纤激光器混沌激光的产生、压力检测方法、温度补偿，静冰压力应用等方面进行了理论和实验研究，并获得了静冰压力随光纤Bragg光栅中心波长变化量的关系。论文的主要研究工作如下:
　　1.以掺铒光纤激光器基本工作原理为基础，阐述了掺铒光纤激光器产生混沌的基本原理和腔型结构。从理论上系统研究了基于非线性克尔效应原理掺铒光纤激光器混沌激光产生机理并进行了数值模拟。搭建了掺铒光纤激光器实验装置，验证了混沌激光的产生，实验结果表明，通过调节掺铒光纤环腔内的偏振控制器和泵浦电流可实现掺铒光纤激光器倍周期的输出且通过倍周期路径进入混沌状态。实验结果和数值模拟结论基本吻合;
　　2.依据光纤Bragg光栅的耦合模传输理论，详细的介绍了光纤Bragg光栅传感的基本原理。基于光纤Bragg光栅实现传感的条件，研究了可调谐多波长掺铒光纤混沌激光器的输出特性并通过腔长来增强非线性效应改善了混沌激光的自相关特性。基于混沌激光的自相关特性和光纤Bragg光栅的传感特性，提出利用4个相同弱反射的光纤Bragg光栅作为敏感元件，通过对参考混沌信号和光栅反射混沌信号的相关峰来对每个光栅进行准确定位，实现对多点压力的定位检测。设计了基于掺铒光纤混沌激光器的光纤Bragg光栅传感压力检测系统从理论上研究了该系统的的检测原理并进行了数值模拟。搭建了基于掺铒光纤混沌激光的光纤Bragg光栅压力传感系统的实验装置，利用该实验装置对多点压力定位检测进行了模拟检测试验;模拟检测试验结果和数值模拟计算结论相似，证明了该模拟试验系统有效可行;
　　3.根据铂热电阻Pt100阻值-温度呈正相关系以及其高低温下工作稳定的特点，设计了以铂热电阻Pt100作为温度敏感元件、MSP430单片机为数据处理中心的高精度温度检测与补偿电路，实现了温度采集与补偿处理的智能化。通过实验研究表明该系统温度的测量误差≤0.1℃。此系统采用低功耗设计原则，适用于低温以及无工业供电的复杂环境中的试验研究，为工业推广应用奠定了基础;
　　4.利用掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅传感系统对实现静冰压力的实时在线检测进行了应用研究。设计了可精确定位的静冰压力光纤传感检测实验装置，在对静冰压力检测实验过程中通过温度补偿，获得了温度为-10℃～-3.5℃范围内，静冰压力随光纤Bragg光栅中心波长变化的关系，为实现工程现场静冰压力的实时在线检测及工程应用传感设备的研制提供了一种新的实现途径。

目录

声明

摘要

图索引

表索引

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 静冰压力研究现状

1．3 光纤传感技术研究现状

1．4 光纤Bragg光栅压力传感技术研究现状

1．5 光纤传感器的应用领域及发展前景

1．6 本论文的主要研究工作及章节安排

第二章 基于非线性克尔效应的掺铒光纤混沌激光器的研究

2．1 引言

2．2 掺铒光纤激光器的工作原理

2．2．1 光纤激光器的基本工作原理

2．2．2 掺铒光纤Er3+的能级特性

2．2．3 泵浦特性及Er3+速率方程

2．2．4 混沌产生基本原理及腔型结构

2．3 基于非线性克尔效应混沌激光产生的理论研究

2．3．1 理论模型

2．3．2 数值模拟结果与分析

2．4 基于非线性克尔效应混沌产生实验研究

2．4．1 实验装置

2．4．2 实验结果与分析

2．5 本章小结

第三章 光纤Bragg光栅传感原理

3．1 引言

3．2 光纤Bragg光栅传输理论

3．2．1 基本结构

3．2．2 耦合传输理论

3．3 光纤Bragg光栅传感原理

3．3．1 温度和应力基本原理

3．3．2 性能指标

3．4 应变及温度交叉敏感性研究技术

3．4．1 双光栅温度／应变双参数测量方法

3．4．2 基于弹性衬底材料的温度补偿方法

3．5 本章小结

第四章 基于掺铒光纤混沌激光Bragg光栅传感系统的研究

4．1 引言

4．2 多波长混沌激光特性研究

4．2．1 实验装置

4．2．2 腔长与混沌激光特性分析

4．2．3 多波长混沌激光实验研究

4．3 Bragg光栅传感系统压力检测理论研究

4．3．1 理论模型

4．3．2 工作原理

4．3．3 复用能力

4．4 Bragg光栅传感系统压力模拟检测实验

4．4．1 实验装置

4．4．2 性能指标分析

4．4．3 实验结果与分析

4．5 本章小结

第五章 Bragg光栅传感系统的静冰压力应用研究

5．1 引言

5．2 静冰压力的力学性能

5．2．1 静冰压力产生

5．2．2 静冰压力特性

5．2．3 静冰压力计算方法

5．3 温度补偿实验

5．3．1 检测原理及实验装置

5．3．2 实验结果与分析

5．4 静冰压力实验研究

5．4．1 实验装置

5．4．2 Pt100温度实时检测系统

5．4．3 实验结果与分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 主要研究内容和结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和录用的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目