光纤激光器自混合振动传感及相关技术研究

【摘要】激光器输出的激光由外界物体反射或散射进入激光腔内并发生干涉的现象,被称为激光自混合干涉效应或光反馈干涉效应以及自注入调制效应。由于反馈光携带了外界物体位置所包含的相位信息,因此激光自混合干涉信号频率、强度能够及时反映外界物体的位置信息如振动、速度、位移等。近年,研究者发现激光自混合干涉系统,特别是激光器光源能够同时作为传感元件进行传感测量,结构简单、紧凑,并能减少光路中的光学器件以降低测量系统的成本。同时光纤激光器优良的光束质量、较高的上转换效率以及散热快,损耗低等特点,可充分扩展激光自混合干涉传感的应用场合、特别适用于各种复杂测量环境以及分布式测量场合的需求。本文结合光纤激光器与自混合干涉技术,开展了如下的工作：基于三镜腔理论模型和DBR光纤激光器光放大方程,边界条件方程对自混合现象进行了理论分析和数值模拟。分析及模拟结果表明,在微幅振动条件下激光自混合干涉信号能够直接解调并还原出外界振动信号。在上述仿真模拟结果及相关理论基础上,提出并建立了DBR光纤激光器激光自混合干涉微振动声音传感理论模型。实验中成功搭建了基于光纤激光器的激光自混合型光纤麦克风,实现了高精度的实时声音测量,最小测量声压可达14.1uPa/(?)Hz。所述的传感探头是由激光光源输出端的APC跳线头插入一端贴有纳米银膜的陶瓷套管构成的。开展并拓宽了激光自混合振动传感的应用场合,初步实现了多通道激光自混合振动传感。在理论上验证了激光自混合双通道传感的可行性；在实验中采用超窄线宽双波长光纤激光器实现了实时双通道传感测量。基于自混合干涉理论并结合模式竞争理论分了自混合干涉测量原理,并对通道之间的信号窜扰现象进行了充分的讨论和研究。搭建了基于DBR光纤激光器的激光自混合传感系统实现了宽动态范围的高精度激光自混合速度传感,信号处理中采用截止放大电路提高了激光自混合速度信号的信噪比,有效降低了散斑等相关干扰信号对激光自混合速度传感精度的影响。所搭建的激光自混合速度传感系统在测量范围39.3mm/s到317.0mm/s下,可实现信噪比超过40dB的高精度测量。本论文的创新点主要包括：1.建立了DBR光纤激光器中自混合干涉系统理论模型,为后续的实验应用构建了理论框架。2.开展了光纤激光器的自混合微幅振动传感实验,实现了声音的实时再现,获得了工作性能稳定、信噪比高以及测量精度高的自混合型光纤麦克风。3.开展并拓宽了激光自混合振动传感的应用场合,初步实现了超窄线宽光纤激光器的双通道振动传感。基于自混合干涉理论并结合模式竞争模型获得双通道传感的自混合干涉测量原理,对通道之间的信号窜扰现象进行了充分的讨论和研究。4.开展了全光纤的速度测量实验,同时信号处理中采用截止放大电路提高了激光自混合速度信号的信噪比,并实现了39.3mm/s到317.0mm/s的速度测量,信噪比和测量精度分别可达40dB和0.136%。
【作者】杜正婷；
【导师】吕亮；
【作者基本信息】安徽大学，光学，2014，硕士
【关键词】激光自混合；光纤激光器；光纤麦克风；双通道传感；速度测量；

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