光纤激光器自混合干涉理论及传感技术研究

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1、摘要EIIIIIIIIIFirIIIIF．n

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7、l删IY1728459摘要传统的激光自混合效应是通过激光在自由空间的传输和回馈，在激光腔内混合而形成。干涉系统多采用气体激光器、半导体激光器和固体激光器。这些激光器均为F-P腔结构，其体积、模式以及传输方式都在一定的程度上不利于构成简单紧凑的传感网络。不同于现有的激光自混合干涉系统，光纤激光自混合效应将在光纤波导介质传输和回馈，在增益介质混合，形成光回馈效应。通过测量光波的特征参量探测各种物理量，从而同时完成在光纤端面和传感元间的光纤传感。光纤激光自混合干涉信号强，信噪比高，并可以用长光

8、纤传输和复用，容易与光纤技术结合，形成一种全新的基于光回馈的光纤有源传感网，实现非接触速度、振动和位移测量。本文研究了光纤激光器自混合干涉理论及其在振动测量方面的应用。对掺铒光纤激光器的光反馈进行了分析，根据光纤激光器的超越方程推导得出有光反馈的条件下激光输出变化，并进行了数值模拟和实验观测，对不同参数的影响进行讨论。建立了光纤激光器自混合效应用于振动测量的理论模型，从理论上分析了振动参数与自混合信号的关系。得到靶面正弦振动时，自混合信号频谱的基频与靶面振动频率的关系，以及自混合信号频谱的谐波分量与靶面振动幅度的关系，并进行了数值模拟。根据光纤激光器自混合模

9、型建立实验系统，比较理论结果与试验结果，分析靶面振动的幅度和频率等因素对振动测量误差的影响。本文还研究了光纤激光器自混合干涉的复用技术。将阵列波导光栅(AWG)^引入光纤激光器自混合干涉系统，进行通道的选择，对有无光反馈时各通道的输◆■，出光强进行了分析和比较。预留自由增益谱中增益最强的波长通道用作能量释放通道，在增益较小的通道引入光反馈，以避免个通道间增益竞争引起的自混合干涉信号的串扰。分析温度对实验系统的影响，温度较低时，波长较短波段光强较弱，无法形成独立的通道。实验结果显示：使用增益较弱的通道进行复用，可实现多通道无干扰的同步传感或测量。关键词：自混合

10、干涉、掺铒光纤激光器、振动测量、复用技术／^■■)◆●■-^r，“’AbstractLaseristransmittedandfedbackinfreespaceandmixedinlasercavityintraditionallaserself-mixinginterference(SMI)．Gaslasers，semiconductorlasersandsolidlasersareusuallyusedinthiskindofinterferencesystem．Allthoselasersmentionedabovearebasedonthemode

11、lofF-Pcavity．Thevolume，themodeandthetransmittalmodeoftheselasersarenothelpfultostructuresimpleandcompactsensingsystem．DifferentfromthetraditionalSMIsystem，SMIinfiberlasersistransmittedandfedbackinfiberwaveguidemediumandmixedingainmedium．Fibersensingontheendoffiberandsensingelementc

12、anberealizedsimultaneouslybymeasuringthecharacteristicparametersofSMIsignal．SMIsignalinfiberringlasershasmanyadvantages，suchashighpower,highsignal-to-noise(SNR)andthepotentialforlongdistancetransmissionandmultiplexing．SMIcanbeeasilycombinedwithfibertechnology,performnoncontactandre

13、motemeasurementfordistance，velocityandvibration，andformanewfiberactivesensingsystembasedonopticalfeedback．Inthispaper,thetheoryofSMIinfiberlasersanditsapplicationinvibrationmeasurementispresented．OpticalfeedbackinfiberringEr-dopedlasersisanalyzesd．Thelaserpowerexpressionwithoptical

14、feedbackistheoreticallyded