正交雙頻光纖激光傳感器的空間靈敏度研究.pdf

1、正交雙頻光纖激光傳感器通過將外界擾動轉化為拍頻頻率漂移，能夠實現(xiàn)對微弱信號的測量。由于其靈敏度高、噪聲水平低、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，在國防反潛、資源勘探、生物醫(yī)療等領域有著廣闊的應用前景。在以往的研究工作中，本課題組對正交雙頻光纖激光傳感器的制備方法、噪聲特性、換能器設計及復用技術等方面進行了全面的研究。由于其諧振特性，這種傳感器的敏感特性直接決定于腔內光強分布。其結果是，相同載荷施加在激光腔不同位置上時，引起的光學響應不同。為了

2、進一步挖掘潛力，提升傳感器的探測能力，有必要對其空間靈敏度特性進行深入研究。本文提出了一種載荷掃描法，對正交雙頻光纖激光傳感器的空間靈敏度進行了全面表征；研究了激光器各個參數(shù)對靈敏度的影響機理，為傳感器的靈敏度提升提供了指導；基于這一增敏手段并利用波紋膜片換能裝置，實現(xiàn)了正交雙頻光纖激光水聽器靈敏度的有效提升。本文圍繞雙頻光纖激光器的空間靈敏度開展了以下工作，并取得相應成果：
　　第一、對空間靈敏度特性進行了理論研究。由諧振條件出

3、發(fā)，揭示了正交雙頻光纖激光傳感器的空間靈敏度與腔內歸一化光強分布之間依賴關系。研究結果表明，空間靈敏度形態(tài)決定于光柵反射率、光柵間距和光纖增益等參數(shù)。
　　第二、采用載荷掃描法對空間靈敏度進行了全面表征，獲得了不同載荷方向、不同有效腔長的傳感器空間靈敏度分布曲線。分別從光纖優(yōu)化選擇、光柵寫制參數(shù)、尺寸參數(shù)等各因素入手研究如何提升靈敏度。我們發(fā)現(xiàn)，通過提升光柵反射率、縮短腔長到1mm左右等措施，可獲得51.1 MHz/g（或5.19

4、2GHz/N）的載荷靈敏度，相應的質量分辨率達到9.78×10-5克。該研究結果為如何設計并優(yōu)化換能結構，提升正交雙頻光纖激光傳感器的探測能力提供了有益指導。
　　第三、以正交雙頻光纖激光器為敏感基元，結合波紋膜片換能器，構建了光纖激光水聽器，對從100Hz到2000Hz范圍內的聲波信號進行探測。對于頻率為1kHz的聲波，有效腔長為6mm的激光器平均靈敏度約為60kHz/Pa，而有效腔長為3mm的激光器能實現(xiàn)110kHz/Pa的靈