本文關(guān)鍵詞： 光纖光柵激光器 磁場(chǎng)傳感器 拍頻 吸收光譜學(xué) 氣體傳感器　出處：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：光纖光柵激光器傳感器作為一種新型的傳感器在近年來得到了快速發(fā)展。其核心傳感元件是光纖光柵激光器,具有高信噪比和窄線寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)的基于電的傳感器而言,基于光纖光柵激光器的傳感器具有靈敏度高,抗電磁干擾,體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。而相對(duì)無源的光纖光柵傳感器而言,它仍然具有窄線寬,高信噪比等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在信號(hào)解調(diào)方面,除了波長(zhǎng)信號(hào)解碼方式之外,它還可以巧妙地利用相位和頻率解調(diào)等方式對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。例如,利用解調(diào)光纖激光器產(chǎn)生的頻域信號(hào)對(duì)物理量進(jìn)行探測(cè),不僅能夠提高靈敏度,而且降低解調(diào)系統(tǒng)的成本,因?yàn)閷?duì)頻域信號(hào)的電解調(diào)技術(shù)比傳統(tǒng)的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)更加成熟。另外,根據(jù)吸收光譜學(xué)原理,基于光纖光柵激光器的傳感器能夠利用許多氣體在近紅外和中紅外波長(zhǎng)區(qū)域的吸收特性對(duì)CO2、CO和CH。等大氣污染氣體的濃度進(jìn)行測(cè)量,形成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的吸收型氣體傳感器系統(tǒng),為環(huán)境健康監(jiān)測(cè)提供了一種非常有效的方法。本論文主要根據(jù)不同的信號(hào)解調(diào)方式和傳感用途設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩種光纖光柵激光器傳感器：基于正交雙頻分布式布拉格反射(DBR)光纖激光器的磁場(chǎng)傳感器和基于波長(zhǎng)可調(diào)摻銩光纖光柵激光器的氣體傳感器。前者利用DBR光纖激光器的拍頻信號(hào)對(duì)磁場(chǎng)和電流進(jìn)行了高靈敏度的測(cè)量；后者利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的2μm可調(diào)摻銩光纖激光器對(duì)CO2氣體濃度進(jìn)行了高靈敏度的有效探測(cè)。本論文的主要研究工作和成果如下：1.介紹了光纖布拉格光柵和光纖光柵激光器以及它們?cè)趥鞲袘?yīng)用方面的發(fā)展情況,并對(duì)各自的傳感特性進(jìn)行了比較。詳細(xì)介紹了光纖光柵激光器傳感器的兩種不同傳感類型：拍頻調(diào)制型和吸收型。拍頻調(diào)制型傳感器利用光纖激光器的拍頻信號(hào)對(duì)待測(cè)量進(jìn)行傳感,解調(diào)方式簡(jiǎn)單且靈敏度高；吸收型傳感器根據(jù)吸收光譜學(xué)原理,針對(duì)不同氣體在紫外和紅外區(qū)域存在的不同吸收特性來測(cè)量氣體的濃度。2.研究了一種新穎的基于正交雙頻DBR光纖激光器的磁場(chǎng)傳感器。根據(jù)相位掩模法利用掃描寫入方式寫制了光纖布拉格光柵,該方式利用193nm準(zhǔn)分子激光器成功地在一根摻鉺光纖上連續(xù)寫制間隔一定距離的高、低反射率光柵,進(jìn)而形成短腔DBR摻鉺光纖光柵激光器�；谠摷す馄鞯拇艌�(chǎng)傳感器利用通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到安培力的原理,將安培力橫向作用于DBR光纖激光器,導(dǎo)致激光器的拍頻信號(hào)產(chǎn)生變化,通過測(cè)量拍頻信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)和電流的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：靈敏度和理論計(jì)算一致,分別是～258.92kHz/mT和～1.08727MHz/A,磁場(chǎng)傳感器的最小可探測(cè)磁場(chǎng)達(dá)到高斯量級(jí),為弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域提供了新的選擇。3.基于實(shí)現(xiàn)CO2氣體濃度現(xiàn)場(chǎng)高靈敏度探測(cè)的目的,我們?cè)O(shè)計(jì)并優(yōu)化了一個(gè)全光纖線性結(jié)構(gòu)的2μm摻銩光纖光柵激光器。根據(jù)相位掩模法利用定點(diǎn)寫入方式寫制了光纖布拉格光柵,該方式利用248nm準(zhǔn)分子激光器在普通單模光敏光纖上分別寫制了高、低反射率光柵,中間熔接一段摻鉺／摻銩光纖形成摻鉺和摻銩光纖光柵激光器,前者用做泵浦源為后者提供泵浦能量。對(duì)摻銩光纖光柵激光器進(jìn)行了優(yōu)化,首先優(yōu)化其泵浦源——1600nm摻鉺光纖光柵激光器,主要優(yōu)化光纖光柵對(duì)和摻鉺光纖兩個(gè)要素,優(yōu)化后的泵浦功率達(dá)到173.5mW,以其作為泵浦源制作摻銩光纖光柵激光器,用同樣的方法優(yōu)化摻銩光纖光柵激光器,最后得到在1874nm和1995nm兩個(gè)波長(zhǎng)的輸出功率分別是35.5mW和10.6mW,為進(jìn)一步的氣體傳感應(yīng)用做了準(zhǔn)備工作。4.為了提高2μm摻銩光纖光柵激光器在C02氣體傳感應(yīng)用中的靈敏度和精確度,根據(jù)光纖光柵彎曲產(chǎn)生應(yīng)變的機(jī)械特性,調(diào)諧激光器結(jié)構(gòu)中的低反光柵(高反射率腔鏡是在光纖端面通過銀鏡反應(yīng)鍍上的寬帶銀鏡)使摻銩光纖光柵激光器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào),在1874nm和1995nm兩個(gè)波長(zhǎng)均實(shí)現(xiàn)30nm的調(diào)諧范圍,其中1995nm激光器的波長(zhǎng)可調(diào)諧到2004nm,在2μm波長(zhǎng)區(qū)域,CO2氣體在此波長(zhǎng)具有最佳吸收特性。在波長(zhǎng)調(diào)諧過程中,對(duì)輸出激光的3dB帶寬進(jìn)行了觀察和研究,提出一種有效抑制3dB加寬的方法,輸出功率和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍均滿足穩(wěn)定的氣體傳感研究。最后結(jié)合我們之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)此激光器應(yīng)用于CO2氣體傳感進(jìn)行了理論計(jì)算和分析,最小可探測(cè)CO2氣體濃度為3.73×1016 molecule/cm3,即1254ppm,證明其應(yīng)用于氣體傳感方面的優(yōu)異特性和巨大潛力。
[Abstract]:A new type of fiber Bragg grating laser sensor has been developed in recent years , which has many advantages such as high sensitivity , high signal - to - noise ratio and so on . In order to improve the sensitivity and accuracy of the laser in CO2 gas sensing applications , the tunable range of 30 nm is obtained by using the same method . In order to improve the sensitivity and accuracy of the laser in CO2 gas sensing applications at 1874nm and 1995nm . In order to improve the sensitivity and accuracy of the 2 渭m doped Tm fiber grating laser in CO2 gas sensing applications , the laser has a tunable wavelength tunable to 200nm . In order to improve the sensitivity and accuracy of the 2 渭m doped Tm fiber grating laser in CO2 gas sensing applications , this laser has been applied to CO2 gas sensing in wavelength tuning . The minimum detectable CO2 gas concentration is 3.73 脳 1016 molecule / cm3 , i.e . , 1254ppm , which proves its excellent characteristics and great potential for gas sensing .

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212;TN248

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