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、軍事等領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)進行測量和實時監(jiān)控越來越迫切。這些應用要求的實現(xiàn)取決于傳感技術的發(fā)展。隨著工程技術系統(tǒng)自動化程度和復雜性的增加，對傳感的精度、可靠性、信息容量及經(jīng)濟實用性的要求也不斷提高，因此，研究適應實際需要的新的傳感器技術是一個熱門課題。本論文結合傳感領域的研究熱點選題，具有重要的學術意義和實際應用價值。主要內(nèi)容如下：

2、
　　 1.理論和實驗兩個方面對摻鉺光纖激光器的時域特性進行了研究。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。實驗上采用方波調(diào)制的半導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系。理論模擬與實驗結果符合很好。
　　 2.將光纖激光器的弛豫振蕩特性應用到傳感領域中。通過合理的設計光纖激光器的結構，將待測物理量的變化引入到腔內(nèi)，改變諧振腔的損耗，進而影響激光器輸出的時域特性。將待測參量的測量轉化為激光建立的延遲時間的測量?；诖嗽?，設計了不同結構的光纖傳感器，分別對應變、液體折射率和氣體濃度進行了檢測。
　　 應變傳感器是利用FBG對應變的敏感特性實現(xiàn)傳感的。應變導致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變的信息。提出了兩種不同結構的光纖應變傳感器，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，對應變進行了測量，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計了一種氣體濃度傳感器。用光纖環(huán)全反鏡和FBG構成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計了多模干涉型光纖傳感器，分別對應變和溫度進行了測量。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。在應變變化范圍內(nèi)，隨著應變量的增大，波長向短波方向移動，傳感器的應