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(dòng)轉(zhuǎn)化為拍頻頻率漂移，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的測(cè)量。由于其靈敏度高、噪聲水平低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國防反潛、資源勘探、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在以往的研究工作中，本課題組對(duì)正交雙頻光纖激光傳感器的制備方法、噪聲特性、換能器設(shè)計(jì)及復(fù)用技術(shù)等方面進(jìn)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(nèi)光強(qiáng)分布。其結(jié)果是，相同載荷施加在激光腔不同位置上時(shí)，引起的光學(xué)響應(yīng)不同。為了

2、進(jìn)一步挖掘潛力，提升傳感器的探測(cè)能力，有必要對(duì)其空間靈敏度特性進(jìn)行深入研究。本文提出了一種載荷掃描法，對(duì)正交雙頻光纖激光傳感器的空間靈敏度進(jìn)行了全面表征；研究了激光器各個(gè)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響機(jī)理，為傳感器的靈敏度提升提供了指導(dǎo)；基于這一增敏手段并利用波紋膜片換能裝置，實(shí)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(yīng)成果：
　　第一、對(duì)空間靈敏度特性進(jìn)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(nèi)歸一化光強(qiáng)分布之間依賴關(guān)系。研究結(jié)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(duì)空間靈敏度進(jìn)行了全面表征，獲得了不同載荷方向、不同有效腔長(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)的質(zhì)量分辨率達(dá)到9.78×10-5克。該研究結(jié)果為如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化換能結(jié)構(gòu)，提升正交雙頻光纖激光傳感器的探測(cè)能力提供了有益指導(dǎo)。
　　第三、以正交雙頻光纖激光器為敏感基元，結(jié)合波紋膜片換能器，構(gòu)建了光纖激光水聽器，對(duì)從100Hz到2000Hz范圍內(nèi)的聲波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于頻率為1kHz的聲波，有效腔長(zhǎng)為6mm的激光器平均靈敏度約為60kHz/Pa，而有效腔長(zhǎng)為3mm的激光器能實(shí)現(xiàn)110kHz/Pa的靈