窄线宽激光器及其在Φ-OTDR中的应用研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vacer2008
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光纤激光器具有体积小、噪声低、耦合效率高、灵敏度高、光谱线宽极窄等诸多优点,被广泛应用于光纤通信、光纤传感及相干激光雷达等许多领域。近年来,光纤传感技术发展迅速,相位敏感光时域反射仪(Phase sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)作为一种典型的光纤传感系统,具有实时监测沿光纤链路振动事件的独特优势,所以成为当前研究热点。其中光纤激光器作为光纤传感系统中最核心的器件,直接决定着整个系统的传感性能。因此研制一款高相干性、窄线宽及低频漂的光纤激光器具有重要意义。本文基于光纤激光器原理,对已有的激光器结构进行对比分析,选取了基于线性腔的光纤激光器方案,搭建了实验平台,最终完成了光纤激光器的研制。本文的主要研究内容分为以下五个方面:(1)研究了光纤激光器的基本理论,包括激光的产生、粒子跃迁和粒子能级系统等基本原理,进而研究了包括线性腔、环形腔的光纤激光器基本结构,对比分析了各个结构的优势与不足,最终确定了基于线性腔的光纤激光器方案。(2)通过分析光纤激光器的内部结构,对泵浦源、光纤光栅和有源光纤等关键器件进行选型。其次仿真分析相移光栅的相移量、相移位置等参量对输出激光的影响。最终设计并搭建了光纤激光器的光路系统。(3)根据泵浦源与光纤光栅的需要,设计了温度控制与电流驱动电路。具体为泵浦源与光纤光栅的温控电路,包括温度设定电路、PID补偿网络等模块。设计基于STM32的电流驱动电路,通过串口通信控制输入控制码,实现驱动电流为0-330 m A的调节范围。此外,通过外接制冷片和热敏电阻来设计光纤光栅的温控电路。最终对光纤激光器的外壳及内部结构进行设计和搭建。测试结果表明,设计的集成温控驱动电路可实现0.02℃的温控精度和0.00247(4)的电流稳定度。(4)为保证光纤激光器性能满足应用场景的需要,对光纤激光器的光谱特性、线宽特性、输出功率、频率漂移及斜率效率等指标特性进行测试。实验结果表明,光纤激光器的中心波长为1550 nm,线宽为4 k Hz,频率漂移为0.58 pm/min,斜率效率为17.97%,相对强度噪声为-98 d B/Hz。(5)研究了Φ-OTDR系统的传感原理,介绍了系统的基本结构和主要性能参数,并将设计的光纤激光器接入Φ-OTDR系统中。实验结果表明,可以实现较高的定位曲线信噪比,系统的有效传感距离为15 km,获得小于10 m的定位误差,在4 km的传感光纤上获得了长度为20 m的空间分辨率。结果表明设计的光纤激光器可较好地适用于Φ-OTDR系统中。
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