基于掺铒光纤激光器的光纤光栅振动传感技术研究

摘要

光纤激光器以其低阈值、高效率、可靠性强和结构紧凑等诸多优点，从研究初期就受到普遍重视，后被广泛应用于航空航天、军事及工业的各种光通讯领域。其中，以掺铒光纤激光器作为光纤光栅振动传感器成为研究的主要方向，同时因其优良的传感性能，已被广泛应用于温度、应变、压力、压强等传感应用中。
　　本文首先阐述了光纤激光器的基本原理，基于激光振荡理论，根据铒离子的三能级结构模型推导了掺铒光纤激光器的速率方程。总结了几种单纵模激光的输出方法，重点分析了饱和吸收体法的驻波干涉和模式选择原理，并介绍了对光纤光栅传感测量的基本原理和解调技术。
　　然后，设计了一种环形腔掺铒光纤激光器，通过模拟计算激光器环形腔的输出特性，得到影响该掺铒光纤激光器输出功率的两个重要参数为掺铒光纤长度和输出耦合器分光比。仿真确定了掺铒光纤长度与输出耦合比的最优值，在该值下激光器的输出性能最佳。
　　接着，对掺铒光纤激光器的输出特性进行了仿真优化，由仿真结果可知，该掺铒光纤激光器在输出性能最佳时，掺铒光纤最佳长度L和输出耦合器最佳分光比R分别为2.5m和90％；优化之后的激光器最大输出功率提高了6.26mW，斜率效率提高了3.42%，参数优化效果显著。考虑到为了使激光器输出单纵模激光，可在该激光器中加入一段未被泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体并对该结构进行仿真，观察可得饱和吸收体长度和浓度的变化对激光器输出性能影响不明显。
　　最后，仿真分析基于长周期光栅的边缘滤波法，得到较宽解调范围，当增加光纤布拉格光栅带宽时，解调范围和灵敏度不变。对比FBG的中心波长与输出激光的中心波长，证明该传感器传感性能较好。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第 2 章 掺铒光纤激光器光纤光栅振动传感理论

2.1 掺铒光纤激光器原理

2.2 光纤激光器单纵模输出方法

2.3 掺铒光纤中驻波干涉原理和模式选择原理

2.4. 光纤光栅传感测量的基本原理

2.5 光纤光栅激光器振动传感解调技术

2.6 本章小结

第 3 章 环形腔掺铒光纤激光器的设计

3.1 系统设计

3.2 泵浦光波长选取

3.3 光纤连接损耗

3.4 环形腔特性分析

3.5 本章小结

第 4 章 基于掺铒光纤激光器振动传感器仿真与分析

4.1 仿真结构图与参数设置

4.2 输出光谱与输出曲线特性分析

4.3 输出耦合比与掺铒光纤长度优化

4.4 掺铒光纤激光器加饱和吸收体仿真研究

4.5 掺铒光纤激光器振动传感仿真研究

4.6 本章小结

第 5 章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加科研情况

致谢