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基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究.pdf.doc 暨南大学硕士学位论文 题名(中英对照): 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 Research on Orthogonally Polarized Dual-Frequency Fiber-Laser Based Sensors for Weak Magnetic Field Detection 作者姓名: 郭贞贞 指导教师姓名 及学位、职称: 程凌浩博士研究员 光学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学科、专业名称: 论文提交日期: 2014年 4月 论文答辩日期: 2014年 5月 答辩委员会主席: 论文评阅人: 学位授予单位和日期: 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的研究成果，也不包含为获得暨南大学 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解暨南大学 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权暨南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 签字日期: 年 月 日 年 月 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 电话: 邮编: 通讯地址: 摘要 光纤传感器通过采用光纤器件或纤或作为敏感元件，对应变、温度、压力、磁场、电 流、湿度等变量进行测量，具有探测精度高、抗电磁干扰、可工作于恶劣环境、高灵敏度 等独特优点。近年来，通过不断汲取光纤光学领域涌现出来的新成果、新发现，光纤传感 器已经发展出多种多样的形式，在性能上得到不断提升，并已在结构安全监测等多个领域 取得应用。光纤磁场传感器能够对强磁场进行实时精确测量，在地质勘探、工业检测、军 事制导等领域具有重要应用。然而，现有光纤磁场传感器通常无法满足微弱磁场测量的要 求。针对这一问题，本文提出了基于单纵模正交偏振双频光纤激光器和安培力的光纤磁场 传感器。这种传感器是通过在铜导线下放置光纤光栅激光器来实现的。与已有技术不同， 我们利用 DBR光纤光栅激光器在两正交方向上输出激光的信号混频产生的拍频信号作为 监测信号。在垂直磁场下，电流流经铜导线，产生安培力，挤压光纤光栅激光器，激光腔 内产生的双折射变化导致激光器的拍频变化。当采用交流电注入铜导线的方式时，磁场诱 导所产生的拍频能有效对抗环境干扰。通过对磁场传感器进行增敏结构设计，我们研制的 基于 DBR正交偏振双频光纤激光器的磁场传感器，具有高灵敏度，抗干扰能力强等优点， 满足对微弱磁场测量的要求。这一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 克服了已有技术的不足，具有较好的应用前景。 本论文主要内容如下: (1)对 DBR正交偏振双频光纤激光器的研制方法进行了研究与优化:利用 193nm准 分子激光光束侧边扫描和相位掩模法，在单掺铒光纤上成功研制了单纵模 DBR光纤光栅 激光器。通过控制刻写光栅时的曝光量使光栅对的反射峰中心只有一个谐振波长来获得单 纵模激光输出。制备的激光器其整体长度最短可达到 10mm以下，拍频信号信噪比达到 70dB以上。激光器具有正交偏振双频输出，为传感器提供了射频域监测信号。 (2)提出了基于单纵模正交偏振双频光纤激光器和安培力的光纤磁场传感器，并对传感 器的磁场传感机理进行了分析，推导了磁场强度与 DBR光纤光栅激光器的关系，在实验 上实现了对磁场的定性测量。 (3)进行了磁场传感增敏研究，提出增敏结构用以实验。这些增敏结构能够更为有效地 将外界磁场转化为腔内双折射，从而增强了磁场响应。通过实验结果验证了理论分析，证 明了这种新颖的光纤磁场传感器具有高灵敏度。 关键词:光纤传感器;光纤激光器;磁场传感器 I ABSTRACT Fiber-optic sensors can measure many parameters such as strain, temperature, pressure, magnetic field, current, humidity, by use of fiber devices or optical fiber as sensing elements. They have demonstrated many advantages including high resolution, high sensitivity, immunity to electromagnetic interference, and the ability to work under harsh environments. Recently, with many new results and discoveries in fiber-optics, various types of fiber-optic sensors with enhanced performance have been developed, which have found important applications in a variety of fields such as Geological exploration, industrial detection, military guidance. However, the existing optical fiber magnetic field sensors are usually unable to satisfy the requirement for weak magnetic field measurement. To solve this problem, a fiber magnetic field sensor based on dual-polarization fiber grating laser and Ampere force is proposed and demonstrated in this thesis. The magnetic field sensor is proposed by placing a dual-polarization fiber grating laser under a copper wire. Different from existing technologies, the beat signal by mixing the two orthogonally polarized laser outputs of a DBR fiber-grating laser is used as the sensing signal. With a perpendicular magnetic field applied, an electrical current flowing through the copper wire can generate Ampere force to squeeze the fiber grating laser, resulting in the birefringence change inside the laser cavity and hence the change of the beat note frequency. When an alternating current is injected into the copper wire, the magnetic field induced beat note frequency change can be discriminated from environment disturbances. A novel fiber-optic magnetic field sensor is therefore demonstrated with high sensitivity and inherent immunity to disturbances. The main content of the thesis is as follows: (1) The fabrication of dual-polarization fiber grating laser is investigated. The fabrication is performed by using phase-mask method with a scanning 193nm-excimer laser-beam. The inscription parameters including the exposure dosage, the lengths of the two gratings and grating spacing are optimized to ensure single-longitudinal laser output along the two orthogonally polarizations. The laser fabricated on an Erbium/Ytterbium co-doped fiber has a total length less than 10mm. The output beat signal presents a signal-to-noise ratio higher than 70dB. II (2) We propose a novel magnetic field sensor based on dual-polarization fiber grating lasers and magnetic field induced Ampere force. The Ampere force is generated by an electric current in a perpendicular magnetic field, which presses the dual-polarization fiber grating laser to shift the beat signal frequency. We derived the relationship between the optical fiber current sensor and the magnetic field, and confirmed the measurement of magnetic field in the experiment. (3) We studied the sensitivity enhancement for the proposed magnetic field sensor.The proposed structure for sensitivity enhancement can covert the surrounding magnetic field into the intra-cavity birefringence more efficiently, which can therefore enhance the sensitivity of the proposed magnetic field fiber-optic sensor. We demonstrate when an alternating electric current is employed, the proposed scheme can discriminate the magnetic field from environment disturbance very well, showing an inherent ability of anti-disturbance. Keywords: optical fiber sensor, optical fiber laser, magnetic field sensor III 目录 摘要..............................................................................................................................................I ABSTRACT................................................................................................................................... II 目录...........................................................................................................................................IV 第一章 绪论............................................................................................................................ 1 1.1 课题背景.................................................................................................................... 1 1.2 光纤磁场传感器的分类............................................................................................ 2 1.3 光纤磁场传感器的结构形态.................................................................................... 4 1.4 光纤光栅激光型传感器............................................................................................ 8 1.5 课题研究意义及主要内容...................................................................................... 11 1.6 论文创新之处.......................................................................................................... 12 第二章 光纤光纤激光器的原理及制备.............................................................................. 13 2. 1 引言.......................................................................................................................... 13 2. 2 光纤光栅激光器...................................................................................................... 13 2.2.1光纤光栅激光器简述..........................................................................................13 2.2.2光纤光栅激光器的分类......................................................................................14 单纵模正交偏振 DBR光纤激光器的制备............................................................ 16 2. 3 2.3.1 DBR光纤激光器写制系统的设计.....................................................................16 2.3.2 DBR光纤激光器的写制.....................................................................................18 DBR短腔激光器的退火处理................................................................................. 22 2. 4 2. 5 本章小结.................................................................................................................. 23 第三章 正交偏振双频光纤激光器的磁场传感研究.......................................................... 24 3. 1 引言.......................................................................................................................... 24 正交偏振 DBR光纤激光器的传感原理................................................................ 24 3. 2 3.2.1光纤的双折射效应.............................................................................................24 3.2.2弹光效应..............................................................................................................25 3.2.3正交偏振光纤激光器的传感原理......................................................................25 光纤磁场传感器的设计与磁场传感机理分析...................................................... 31 3. 3 3.3.1基于 DBR光纤激光器和安培力的光纤磁场传感器设 计...............................31 3.3.2基于安培力的光纤磁场传感原理.....................................................................32 3. 4 3. 5 DBR光纤激光器的磁场响应................................................................................. 34 第四章 本章小结:.............................................................................................................. 35 4. 1 磁场传感器结构增敏研究...................................................................................... 36 引言.......................................................................................................................... 36 4. 2 增敏结构实验.......................................................................................................... 36 4.2.1光纤激光器快轴、慢轴的确定..........................................................................36 4.2.2增敏实验结构......................................................................................................36 4.2.3增敏光纤磁场传感器磁场测量结果..................................................................37 4.3本章小结......................................................................................................................... 40 第五章 总结.......................................................................................................................... 41 参考文献....................................................................................................................................... 42 攻读硕士学位期间发表的论文................................................................................................... 46 IV 攻读硕士学位期间所申请的发明专利:................................................................................... 47 致谢............................................................................................................................................... 48 V 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 第一章绪论 1.1课题背景 微弱磁场测量技术在地质勘探、工业检测、军事制导、生物医学工程以及日 常生活有很重要的应用。因此研制精度高、成本低廉、灵敏度高、稳定性好的弱 磁场测量仪器有着重要的意义。 近年来发展起来的基于光纤的微弱磁场传感器获得了重大进展，其动态范围 大、窄线宽，可远距离传输，在微弱磁场测量领域应用日渐广泛。但由于成本高 昂等原因仍制约着光纤传感技术的大规模推广。 回顾磁场传感器的发展历程，我们发现微弱磁场测量在实现方式上不断吸收 光纤光学领域出现的新成果、新发现。美国加利福尼亚技术学院的亚里夫教授在 1980年首次提出了用磁致伸缩材料对光纤的扰动从而改变光相位来探测微弱磁 场的方法，且在理论预测最小可探测磁场可达1.6，10,12 G[1]后，利用磁致伸缩材 料，美国海军实验室制作出了第一个光纤微弱磁场传感器。Kersey等人早在 1985 年就报导了把光纤干涉臂来回粘贴在 25 cm长的磁致伸缩材料上，得到了灵敏度 为8，10,5 A/m的光纤弱磁场传感器[2] 。此后，许多学者在这一领域对此种传感器 进行了深入的研究。国外主要研究的单位有英国的肯特大物理实验室，美国海军 实验室等。与国外的研究相比，在光纤微弱磁场的研究方面，国内对不仅起步较 晚，而且研究进展缓慢，研究水平相对落后。国内从八十年代末才开始进行这方 面的研究，主要研究单位有南开大学、大连理工大学、上海交通大学、电子科技 大学、哈尔滨工程大学、国防科技大学、兰州大学、东南大学等。 正交双频 DBR光纤激光器用于磁场测量，国内外已有许多报道，但大都是 利用法拉第效应或磁致伸缩效应、磁力、洛伦兹力对强磁场进行测量 [3-6] ，而基 于安培力的光纤传感尚且没有报道，据本课题已有研究结果来看，用正交双频 DBR光纤激光器基于安培力原理而研制的光纤磁场传感器，在微弱磁场测量方 面将有广阔的应用前景。 1 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 1.2光纤磁场传感器的分类 光纤磁场传感器，因为其抗电磁干扰能力强，重量轻，体积小和大带宽而被 广泛应用。许多传感机制正在被探索[7]，包括法拉第效应，电磁伸缩效应，磁力， 洛伦兹力等。光纤磁场传感器可以根据不同的分类原则进行分类，本论文根据其 传感机理将光纤磁场传感器分为基于法拉第效应、磁致伸缩效应和洛伦兹力等三 种类型。 (1)基于法拉第效应的光纤磁场传感器 近些年，基于法拉第效应的光纤磁场传感器因绝缘耐高压、抗电磁干扰能力 强等优点而得到快速发展。在此类传感器中，磁光晶体作为传感元件。其传感机 理为磁光效应(magneto-optical)之一的法拉第效应(Faraday effect)。在外加磁 场作用下，当一束线偏振光在介质中传播时，线偏振光的偏振方向会发生旋转， 它的旋转角度 ,的大小与光在介质中传播的长度 L及沿光束方向的磁场强度 B 成正比，即 , ,VBL (1.1) 其中 V为 Verdet常数，它表示线偏振光在单位磁场强度下通过单位长度的磁 光介质后偏振方向旋转的角度大小，取决于磁光晶体的工作波长与材料特征。磁 致旋光效应的旋转方向只与磁场方向有关，是不可逆的光学过程，即与光线传播 方向的正逆无关。传感器的原理图如图 1-1。 图 1-1基于法拉第效应的光纤磁场传感器 若起偏器 P1与检偏器 P2的夹角为,，未加磁场与加上磁场时光电探测器 检 测到的电流分别为 I0及 I1，由马吕斯定律( I1 , I0 cos(,,,))及式接得到磁场的大小。 (1.1)，可间 如本论文导师作者曾提出基于正交双频光纤激光器和法拉第效应的光纤磁 2 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 场传感器，可测量磁场范围在 1500G到 4500G，具有高灵敏度、抗电磁干扰等 优点，但此类传感器一般用于强磁场测量[3]。 基于此机制通常用于间接测量磁场，需要外部传感器提高灵敏度。然而这样 的传感器存在一定缺点。 (2)基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器 磁致伸缩效应，是指在外加磁场的作用下磁致伸缩材料的尺寸和形状会随着 磁场的变化而变化，去掉外加磁场后，又恢复原来的尺寸和形状。材料的磁致伸 缩能力可用饱和磁致伸缩系数，即在强磁场之下的最大相对伸长来表示。原则上 只要能够将磁场所造成的微小形变转变为电信号，就可以利用磁致伸缩效应测量 磁场。目前尝试的测量磁性材料的微小形变的方法有利用光束的干涉效应及光纤 光栅的 Bragg波长。 1980年，Yariv和 Winsor首先提出用具有磁致伸缩特性的 Ni粘贴在光纤表 面上作为 Mach-Zehnder干涉仪上的信号臂，如图 1-2所示，当施加磁场时，磁 性材料产生的变化导致光纤的光程随之变化，使得 Mach-Zehnder干涉仪中信号 臂与参考臂之间产生相对位移，利用干涉仪的相位检测即可测出磁场大小[8]。 图 1-2基于磁致伸缩效应的 Mach-Zehnder光纤 磁场传感器 基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器，具有结构简单、体积小、灵敏度高等 优点。然而磁性材料固有的磁饱和效应和滞后性，大大减少动态范围和可能导致 不准确的测量。 (3)基于洛伦兹力的光纤磁场传感器 在光纤干涉臂上镀上一层金属材料，当通入恒定电流时，由于洛伦兹力效应， 在外加磁场作用下干涉臂会产生微量拉伸。通过探测由此产生的相位差来测量外 3 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 界磁场的大小。图 1-3是 Cranch G A等人在 2009年提出的利用洛伦兹力来测量 磁场的实验装置图[9]。 图 1-3基于洛伦兹力的光纤磁场传感器 此方法抗振能力差，易受到外界环境振动影响，测量微弱磁场时灵敏度不高。 (4)基于磁流体的光纤磁场传感器 磁流体(Magnetic Fiuid)是指吸附着表面活性剂的磁性微粒在基载液中高度 弥散分布而形成的稳定胶体体系，因此它由表面活性齐、纳米级的固体粒子和基 液三部分组成，是一种随外加磁场强度变化控制流变特性的纳米智能材料[10] 。磁 流体具有明显的磁光效应，磁流体的固体磁性粒子在外界磁场的作用下会发生团 簇，使得磁流体中的电介质常数发生改变，进而其折射率发生改变。当外界磁场 在一定范围内时，磁流体的折射率会所加磁场强度的增大而逐渐减小;当外界磁 场过大时，磁流体的折射率会慢慢趋于稳定[11]。而长周期光纤光栅同样对外界折 射率敏感。因此将磁流体与长周期光纤光栅相结合作为传感单元，是一种全新的 磁场测量方法。 1.3光纤磁场传感器的结构形态 在结构形态上，传统的光纤磁场传感器主要是基于各式各样的干涉仪结构， 从而将磁场引起的光学物理量的变化转变为如光强、相位之类可探测的物理量。 各种经典的干涉仪结构都在光纤磁场传感器中获得了广泛的研究 ，包括如 [12-15] F-P腔、Mach-Zender干涉仪、迈克尔逊干涉仪、Sagnal环等。近年来基于光纤 4 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 光栅、激光器的磁场传感器方面的研究取得丰硕的成果。 (1)基于 F-P腔的光纤磁场传感器 如图 1-4是基于 F-P腔的磁流体光纤磁，它利用磁流体作为光纤 场传感器[16] F-P腔的腔内介质，通过调制被测电磁场来改变腔内磁流体的折射率，从而改变 滤波器的输出波长，再利用光纤光栅波长调谐装置对 F-P腔滤波器的输出波长进 行调谐检测，从而实现电磁场的测量。 图 1-4基于 F-P腔的磁流体光 纤磁场传感器 宽谱光源(BBS)发出的光传至光纤 F-P滤波器，在滤波器的谐振腔内装有 磁流体，自聚集透镜构成的 F-P腔和腔内磁流体都被固定在玻璃管内。当磁场发 生改变时，光纤 F-P的输出波长会发生变化。通过解调光纤光栅的周期性变化可 建立外界磁场与压电陶瓷的驱动电压的关系，从而测得磁场大小。 (2)基于 Mach-Zender干涉仪的光纤磁场传感器 全保偏 Mach-Zender光纤磁场传感系统如图 1-5所示。从半导体激 [17-18] 光器输出的光经保偏光纤偏振器起偏后，经保偏光纤分为两束，分别经过 Mach-Zender干涉仪的传感臂和参考臂，再通过保偏光纤耦合器进行干涉，干涉 信号经探测电路输入计算机进行处理。 图 1-5基于 M-Z干涉仪结构的全保偏 磁场传感器 在传感臂上，采用 TbDyFe磁致伸缩材料在长度约为 10 cm的裸保偏光纤上环绕 了厚度约为 2 um的膜。这样在磁场作用下 TbDyFe材料发生纵向伸缩， 5 使光纤 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 各方向都产生相同大小的应变，从而引起光纤中的光相位改变，通过探测参考臂 和传感臂的光相伴改变，即可探测出磁场大小。 (3)Michelson干涉仪 图 1-6是上海交通大学的陈菽莹所提出的 Michelson干涉型光纤磁场 传感器 的实验装置图[19]，入射光经过三端口环形器，由分光比为 50:50的耦合器分为 等光强的两路信号，分别进入信号臂和参考臂。粘贴在信号臂上的磁致伸缩材料 感应到磁场时就会发生应变，带动信号臂光纤应变，产生相位变化。 图 1-6 Michelson干涉型光纤磁场传感器 通过探测差分输出信号的相位差，可测出所加磁场的大小。 (4)基于 Sagnac干涉仪的光纤磁场传感器 图 1-7是国防科技大学的宋章启所提出的基于 Sagnac干涉仪 的光纤磁场传 感器实验系统 。将磁致伸缩材料粘贴单模光纤构成的光纤磁传感探头接入 [20] Sagnac光纤环的一端，外加交流磁场将探头周围的直流磁场加载到 4.9 kHz的高 频信号上，建立了基于 Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感实验系统。采用锯齿 波相位调制的方法，将干涉仪系统相位偏置在 ,附近，通过测量所加高频信号的 2 幅度，可实现了对直流磁场的测量。 图 1-7基于 Sagnac干涉仪的光纤磁场传感 器实验系统 6 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 (5)基于光纤光栅的光纤磁场传感器 随着 1989年侧向紫外写入 FBG技术的出现，将 FBG与磁致伸缩 材料结合， 为微弱磁场测量提供了崭新的方案[21-22] 拉格光栅的应变敏感性，实现了光纤布拉格光栅波长漂移量和侧向位移的线性关 。基于磁性材料的磁致伸缩效应和光纤布 系，通过测量 FBG的波长漂移量，可估算出所加磁场的强度变化。 图 1-8基于 FBG的磁 场传感器装置 如图 1-8所示为电子科技大学的杨颖所提出的基于磁致伸缩效应的 FBG磁场 传感器装置[23]，光纤 Bragg光栅的一端固定在台面上，另一端可自由滑动。当外 界磁场改变时，磁致伸缩材料的伸缩量也发生改变， FBG中的应力随之变化， 从而改变 FBG的 Bragg波长。Bragg波长的变化可从光谱仪中读出。FBG的 Bragg 波长变化可以间接反映外界磁场的变化，从而达到磁场测量的目的。 (6)基于光纤激光器的磁场传感器[12] 图 1-9是本论文作者导师程凌浩于 2013年所提出的基于光纤 激光器的磁场 传感器装置图[24] 。两个螺线管中注入的电流产生了与两个螺线管轴线平行的磁 场，即待测磁场。光纤光栅激光器被放置于两个螺线管之间，激光器的轴线平行 于螺线管的轴线。光纤光栅激光器其实是一个分布式布拉格反射镜(DBR)光纤 光栅激光器，光纤光栅激光器的双正交偏振输出经过一个光电探测器被混合，产 生一个频率等同于两个激光器输出频率之差的拍频信号。 7 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 Solenoid Solenoid DBR Fiber Laser Axial Magnetic Electrical Electrical Field Current Current PD PC ISO 980 nm 980 nm 1550 nm RF Spectrum Pump Analyzer Polarizer 图 1-9基于光纤激光器的磁场传感器 在磁场作用下，由于法拉第效应，激光器的拍频信号与磁场成正比关系，据 此原理，探测到拍频信号即可知待测磁场大小。 1.4光纤光栅激光型传感器 光纤激光传感器是利用光纤光栅激光器作为传感元件，通常采用在稀土掺杂 光纤中刻写Bragg光栅来构成单纵模光纤激光器来制得。它不仅具有传统光纤传 感器的所有优点，而且具有更窄的带宽和更高的信噪比，从而可以实现更高的分 辨率和准确度。 根据工作原理，光纤光栅激光传感器可分为两种，即波长解调型和拍频解调 型。 (1)波长解调型光纤光栅激光传感器 基于波长解调型光纤光栅激光传感器，在应用时需要从光谱信号中检测出 Bragg光栅波长的移动，是将外界物理量的改变转变成激光波长的编码。 根据耦合理论，光纤Bragg光栅方程为: ,B , 2neff , (1.2) 其中，,B为光纤光栅 Bragg波长，,为光栅周期，neff为光纤光栅纤芯的 有效折射率。由式(1.2)可看出，光纤光栅 Bragg波长取决于纤芯有效折射率 和光栅周期。这两个参数任何一个发生变化都会引起,B的偏移。基于波长解调 型光纤光栅激光传感器，可以用来对多种物理量进行测量，例如:磁场、电流、 温度、应力、压力、压强等，当这些被测物理量发生变化时，光纤光栅的中心波 长,B随之发生改变。为了检测出光纤光栅 Bragg波长的偏移量，针对光纤光栅 传感器的不同应用，国内外学者提出了多种解调办法。主要可分为滤波法和干涉 8 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 法，滤波法有声-光可调谐滤波器解调法、可调谐 F- P滤波器解调法等，干涉法 有 Michelson干涉仪解调法、非平衡 Mach- Zehnder干涉法等。 1993年，A. T. Alavie等人利用波长编码原理的光纤光栅激光传感器，进行 了应变和温度的测量，利用激光波长较窄的线宽，得到了更高分辨率的传感器， 再利用非平衡干涉仪，通过检测激光的相位来测量出由外界变化所引起的细小的 光频变化。利用该原理，基于波长编码型的光纤光栅激光传感器可用来探测环 [25] [26] 境的微弱变化 。1995年，K. P. KOO采用一段的掺铒光纤和两个 FBG构成的 DBR激光器(有效腔长为 2.5cm)进行了应变的测量，信号解调采用臂差为 96m 的 Mach-Zehnder光纤干涉仪进行。把 DBR光纤激光器紧贴在压电陶瓷上对加应变，该实验在 7kHz的频点上获得的应变精度为5.6，10,4, / Hz，其结果直 其施 [27] 至今天仍被认为是相干检测应变的最小分辨率 。 (2)拍频解调型光纤光栅激光传感器 波长解调法作为目前光纤光栅激光传感器的一项重要技术，普遍存在体积偏 大，不易于轻量化和小型化的问题。波长解调模块成本昂贵，大多在数万元左右， 这也制约了波长解调型光纤光栅激光传感器的应用。为克服此类缺点，拍频解调 型光纤激光传感器应运而生。拍频解调型光纤光栅激光传感器，通常将待测量转 化为拍频的变化，由于拍频信号在射频( RF)范围内，而频率检测技术相对成 熟，故其成本远低于波长解调，故此原理制成的光纤传感器受到广泛的关注。 其中，基于正交双频(DBR)光纤激光器的光纤传感器[28-29] ，其工作原理是基 于 DBR光纤激光器拍频调制原理。由于单纵模的正交双频光纤激光器的每个纵 模都由两个正交偏振的简并的偏振态组成，当 DBR激光器的激光腔内产生双折 射时，两个简并的偏振态产生退简并，由此导致激光输出的单纵模中的两个偏振 模式频率分裂。输出的激光通过高速的光电探测器探测混频后，会在无线电射频 区域内产生偏振的拍频信号。基于 DBR光纤激光器的光纤传感器，是以 DBR 光纤激光器为传感单元，将外界待测物理量的变化转化为光纤激光器输出拍频信 号频率的变化。基于此，通过检测偏振拍频信号的频率变化即可获得外界待测量 的参数。正交偏振双频光纤激光器不仅具有传统光纤传感器应用的所有优势，而 且还具有低成本、高速解调能力、信噪比高，远程检测能力强等优点。满足了未 来新型传感网络小型化、集成化、多参量化、网络化的发展。 1993年，H. K. Kim等人首次实现了正交偏振双频光纤激光型传感器，他们 9 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 采用增益介质为 13m掺钕光纤的光纤激光器，通过将侧向压力转化成拍频信号 进行测量，传感器的灵敏度 4.8kHz/g[30]，但是该激光器是多纵模输出，频谱上多 个频率都存在不稳定的问题。同年，G. A. Ball首次报道了激光腔长为 2.5cm的 单纵模正交偏振双频光纤激光器，其输出偏振拍频为 680MHz，并初步探索了偏 振拍频信号的传感应用，分别获得了 -4.1MHz/mstrain的线-性应变响应度和0.37MHz/(deg/cm) 的扭转应变响应度 [31] ，这比传统的波长解调的光纤光栅传感 器的灵敏度高很多，且解调系统也比它容易。这比传统的波长解调的光纤光栅传 感器的灵敏度高很多，且解调系统也相对容易。但由于这一长度的 DBR光纤激 光器并非严格的单纵模输出，容易出现跳模问题，影响了测量的稳定性。 1998 年，L.Dong等人在南安普顿大学利用新研制出的饵镱共掺光纤制作出单纵模 DBR光纤激光器，光纤总长为3.5cm，腔长为2cm。该激光器具有良好的输出 [32] 效率和阈值，自此DBR光纤激光器在频域内的传感应用得到了很大的发展。 韩国的 Jaechul Yong等人在 1999年将两个单纵模双频 DFB光纤激光 [33] 器复用 在同一根光纤上，在频域内完成了对电流的传感测量 。2001年，O.Hadele等 [34] 人利用 DFB光纤激光器在频域内实现了同时测量温度和压力的实验。2005年， 关柏鸥教授及同事在高光敏性、高增益的铒镱共掺光纤上直接刻写光栅对，研制 出了单纵模正交偏振的短腔 DBR光纤激光器，并首次实现了水下超声波的高灵 敏度探测。这种传感系统没有利用传统的波长解调，而是在频域进行解调检测。 [35] 在实验中，该传感器的工作带宽达到 40MHz以上，并且在几百 MHz的频域范围 内对拍频信号进行了解调，具有解调容易、结构简单等优点，这一成果获得美国 专利授权。关教授随后报道的 DBR光纤光栅激光器，长度仅为 8.4mm，在理论 上可以保证单纵模输出，避免了跳模的可能性。被美国光学学会刊物 SPIE [36] 将光纤包层进行腐蚀，大大提升了水下超声波测量的灵敏度 。2012年关柏鸥 Newsroom把这一成果作为研究亮点进行了报道。基于这一成果发展了高灵敏度 [37] ，总结并综述了这 教授等人在 Journal of Lightwave Technology上撰写特邀文章 的位移、磁场、电流、水声等系列传感器。2008年，L.Y.Shao等人在此基础上 一领域的研究成果，这表明这一技术受到国际同行的广泛关注。 10 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 1.5课题研究意义及主要内容 目前应用于微弱磁场测量的光纤传感器大多存在各种不足。传统的基于法拉 第效应的光纤磁场传感器由于结构简单、测量范围大已被广泛应用，但对微弱磁 场的测量方面，基于此原理的磁场传感器存在盲区。近年来，随着超磁致伸缩材 料的出现，基于磁致伸缩效应为机理的干涉型光纤磁场传感器因其灵敏度高，得 到极大关注。随着光纤光栅的大规模应用，将光纤 Bragg光栅与磁致伸缩材料结 合，为微弱磁场测量提供了崭新的方案，并已取得了一定的研究成果。但由于磁 性材料的磁饱和效应和滞后性，大大减少动态范围和可能导致不准确的测量。虽 然基于不同原理实现对强磁场的测量，其灵敏度很高并且已有了许多类型的产品 商用化，但是到现在仍然没有一种实用、简单的方法来实实现微弱磁场的测量。 本文正是在此背景下，以广州市珠江科技新星专项项目(NO.33112008)《高 性能分布式光纤传感系统研制与应用研究》为依托，采用 DBR正交双频光纤激 光器作为传感头，研究新型的光纤传感器，用于微弱磁场信号的探测。本论文针 对基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器进行深入的理论和实验的研 究，解决其中的关键技术，完成了高性能的基于正交双频激光器和安培力的光纤 磁场传感器的研制，为下一步实现新型磁场传感网络技术提供了实验基础和关键 应用技术。 本论文的研究要点主要分为以下方面: 第一章绪论部分，在绪论中介绍了光纤磁场传感器的类型，按照工作原理不 同，将光纤磁场传感器分于基于法拉第效应、磁致伸缩效应和安培力的三种类型， 阐述了不同工作原理的光纤磁场传感器的优点与不足;概述了光纤光栅激光传感 器，按照其调制方式的不同，分为波长调制型与拍频调制型两种，并介绍了其发 展历程与研究现状。 第二章光纤磁场传感器的理论和实验基础，介绍了正交偏振光纤激光器的原 理及制备方法。研究了单纵模正交偏振(DBR)光纤光栅激光器的制备工艺。 第三章对 DBR光纤光栅激光器的磁场传感机理进行了研究，推导了磁场强 度与 DBR光纤光栅激光器的关系。并提出了一种新颖的基于 DBR光纤光栅激光 器和安培力的光纤磁场传感器，并对这种传感器进行了探索研究，在实验上实现 了对磁场的定性测量。 11 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 第四章进行了磁场传感增强增敏研究。提出增敏结构用以实验，并通过高温 退火方法，这些方法能够更为有效地将外界磁场转化为腔内双折射，从而增强了 磁场呼响应。并通过实验结果验证了理论分析，证明了这种新颖的光纤磁场传感 器具有高灵敏度。 1.6论文创新之处 第一、本课题提出的基于安培力的光纤磁场传感方案，在国内尚没有文献报 道，本工作具有首创性。 第二、基于安培力的光纤磁场传感器，具有普通磁场传感器所不具备的高 灵敏度特点，本工作具有技术先进性。 第三、本课题提出的光纤磁场传感方案不仅可用于测量直流磁场，还可用于 测量交流磁场。 12 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 第二章光纤光纤激光器的原理及制备 2. 1 引言 正交偏振双频光纤激光器不仅具有传统光纤传感器应用的所有优势，而且还具 有低成本、高速解调能力、信噪比高，远程检测能力强等优点。满足了未来新型 传感网络小型化、集成化、多参量化、网络化的发展。 运用正交偏振双频光纤激光器来实现微弱磁场信号探测，具有灵敏度高、成 本低、解调能力高且结构简单等优势，所以将正交双频 DBR光纤激光器应用于 微弱磁场信号探测有极其深远的意义和广阔的应用前景。 2. 2 光纤光栅激光器 2.2.1光纤光栅激光器简述 单纵模激光输出指的是谐振腔内仅有单一纵模的光进行振荡，而激光器谐振 腔内的纵模间隔与谐振腔的有效长度成反比随着谐振腔的长度减小，纵模间隔变 大在光纤光栅带宽范围内的纵模数量就会减少，当纵模间隔大于光纤光栅的带宽 时，只有一个纵模的光可以在谐振腔内其振，激光器就会获得稳定的单纵模输出。 所以为了使激光器单纵模输出，最直接、有效的方法是降低激光器的谐振腔长度。 为了光纤激光器输出单纵模，就必须要控制激光器谐振腔的纵模模式和激光 器内选频器或者滤波器的带宽，而纵模模式间隔的大小直接取决于谐振腔的有效 长度。要实现单纵模光纤激光器，其关键就是如何控制谐振腔使其具有非常高的 模式选择特性。自从光纤激光器得到快速发展，研究人员们围绕着这个问题一直 在付出大量努力，为了保证只有一个纵模能从激光腔内稳定的起振，针对环形腔 以及线性腔结构的光纤激光器，科研人员们给出了多种可行方案。对于光纤激光 器的环形腔结构，因其有效谐振腔过长导致了纵模模式众多，会产生多个模式振 荡或者严重的跳模现象，这样无法实现稳定的单纵模激光输出，也增加了选频的 难度。 13 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 而结构简单、易实现的基于光纤布拉格光栅的线性腔结构光纤激光器显然在 单纵模输出和控制当中更具胡优势也更有吸引力。对于线性腔结构，研究最多的 方法就是直接在具有光敏性的稀土掺杂增益光纤中写入一对匹配的光纤光栅或 者在稀土掺杂的增益光纤两段熔接一对光纤光栅作为光纤激光器的滤波器，得到 分布布拉格反射结构(DBR)的光纤激光器或者分布反馈式(DBR)光纤激光器。 这种线性腔的光纤激光器结构非常紧凑，有效腔长相对于环形腔来说也小很多， 可以通过压缩激光器的有效腔长，来实现纵模模式间隔的增大。当纵模间隔与光 纤光栅的带宽相仿时即可将多纵模抑制掉，从而得到单一纵模起振，实现单纵模 输出。 2.2.2光纤光栅激光器的分类 光纤光栅激光器的基本结构是用光纤光栅作为两个反射镜在光纤内建立谐 振腔，在两个腔镜中间使用一段掺杂稀土元素(如 Er、Yi或铒镱共掺等)的有 源光纤作为增益物质，使系统在有泵浦光输入时提供足够的增益产生单纵模激光 输出。如图 1-5所示为光纤激光器的基本结构图。在光纤激光器中，光栅既是反 射元件，而且光栅的共振波长也决定激光器的输出激光的波长。一般来说，单纵 模光纤光栅激光器具有分布反馈式(DFB)和分布布拉格反射式(DBR)两种典 型结构[38] 。 图 2-1光纤激光器基本结构图 (1)分布反馈式(DFB)光纤激光器 图 2-2所示是 DFB光纤激光器的基本结构图。它是通过在稀土掺杂光纤 (如 Er、Yi或铒镱共掺)中写入,相移Bragg光纤光栅而实现的，其反馈区和有源区 14 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 共为一体，同时实现光反馈及波长选择。在图1-6中，半导体(LD)激光器发出 的 980nm的泵浦光，经过一个隔离器(ISO)和一个 980/1550nm波分复用器进入 DFB光纤激光器，从而产生 1550nm单纵模激光经 WDM和隔离器输出。,相移 光栅是采用相位模板直接将紫外写入掺杂光纤。这种光栅在轴向折射率调制上引 入一个,相位突变，故与均匀光栅不同，其折射率调制分布如图 2-3所示。 图 2-2 DFB光纤激光器结构图 图 2-3 DFB光纤激光器结构图 (2)分布布拉格反射式(DBR)光纤光栅激光器 分布布拉格反射式光纤光栅激光器(DBR)的结构如图2-4所示。在掺杂光纤 上直接刻写两个具有相同中心反射波长的布拉格光栅(FBG)形成一个 F-P谐振 腔，用以模式选择，谐振腔的增益取决于谐振腔的有效腔长、稀土离子的浓度、 泵浦光功率及光纤几何尺寸等多种因素。输出波长由谐振腔长和光栅反射谱等因 素决定。半导体激光器发出的 980nm的泵浦光经过隔离器和一个 980/1550nm波 分复用器(WDM)进入 DBR光纤激光器，输出的 1550nm的激光经波分复用器 和隔离器输出。 图 2-4 DBR光纤激光器系统结构图 两个Bragg光栅对形成F-P谐振腔时，由于多光束干涉效应，在光栅透射峰 15 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 内形成多个对应不同纵模的带宽极窄的尖峰。当 F-P腔受到泵浦作用时，这些尖 峰所对应的波长处都是有可能产生激光的。如果采用均匀展宽介质的掺铒光纤， 则各个纵模处的激光之间存在竞争关系。激光腔的有效腔长决定了纵模间隔，而 有效腔长不仅决定于两Bragg光栅之间的间隔，还与Bragg光栅的反射率有关。 可通过降低两光栅间隔、提升Bragg光栅的反射率，从而减少激光腔的有效腔长， 达到减少可能产生的激光纵模个数的目的，直以只存在单纵模激光输出为止。 理论研究表明，分布反馈式(DFB)光纤激光器具有本征单纵模的优点，即 无论光栅多长、泵浦功率多大，DFB激光器均产生单纵模输出。而对于分布布 拉格反射式激光器来说，若要实现单纵模输出，则要求两Bragg光栅之间距应短 至 cm乃至 mm量级。在制作工艺上，DFB激光器需要采用昂贵的相移模板， DFB激光器制作成本高昂，且并不容易制得。而 DBR激光器可通过在掺杂光纤 上移动或扫描紫外光光束曝光的方法制成，相对容易制作，且成本更低。在器件 大小上，DFB激光器一般长度为 3~5 cm，而单纵模 DBR激光器则可控制在 2cm 2. 3 单纵模正交偏振 DBR光纤激光器的制备 以内，更宜用作光纤传感头来进行单点式感测。 2.3.1 DBR光纤激光器写制系统的设计 DBR光纤激光器是由两个直接在有源光纤上刻写的波长相匹配的布拉格光 纤光栅组成，相比于将两个光纤光栅与有源光纤熔接而组成的光纤激光器[39] ，前 者所需的泵浦阈值要低得多，因为它避免了激光腔内的熔接损耗。如图 2.1所示 为单纵模 DBR光纤激光器的写制结构图。DBR光纤激光器通过直接在掺杂光纤 (Er)上写制波长匹配的 Bragg光栅对来实现。我们采用 193nmArF准分子激光 器侧边扫描和相位掩模法直接在掺饵光纤上刻写相隔一定距离的 Bragg光纤光 栅对。由于 193nm准分子激光器的激光辐射是双光子吸收，工作效率很高，因 此在刻写布拉格光栅时不需要通过载氢技术来提高光纤的光敏性，这不仅简化了 光纤激光器的制作过程，同时还避免了由载氢技术引起的损耗而导致输出激光功 率的下降。在这个实验装置中，我们使相位掩模板和光纤都固定不动，通过计算 机控制步进机的移动来完成紫外光束的扫描，且输出能量和频率分别设置为 3mJ 16 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 和 150Hz，激光扫描速度设置为 0.003mm/s。需要注意的是，在刻写两个布拉格 光栅时，紫外激光束的输出能量、频率、扫描速度都必须保持一致，这样才能使 两个光纤光栅的中心波长严格匹配。 实验装置采用反向泵浦结构，980nm泵浦光通过隔离器后由波分复用器(WDM) 的980nm端口进入DBR光纤光栅激光器，通过增益光纤的低反射率光栅端对其进 行泵浦。而DBR光纤激光器输出激光通过WDM公共端返回到光谱分析仪(OSA)内。 该结构可以避免泵浦光对OSA探测的干扰。而在WDM的98Onm端和1550llln端 都分别放置一个光隔离器(150)，以防止反射光返回损坏仪器以及干扰测量结果。 此外，如图 2-5所示，我们还利用一个宽带光源(BBS)来观测光栅写制的过程并 通过该过程获得对光纤光栅的控制。 980nm pump 193nm UV beam 980nm ISO Phase Mask WDM BBS OSA 1550nm ISO Er-doped fiber 图 2-5制作 DBR光纤激光器 的实验装置图 17 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 2.3.2 DBR光纤激光器的写制 我们选用 Coherent公司的 BraggStar Industrial ArF准分子激光器作为紫外刻写光 源，所发射的紫外光波长为 193nm并以此为基础搭建了 DBR紫外刻写系统，其 实验设备实物图如错误!未找到引用源。6所示。 图 2-6 DBR刻写系统实物图 DBR紫外刻写系统包括:准分子激光器，紫外激光直角反射镜(Laser reflect mirror)，PI(Physik Instrumente)微米级精密电位移平台，相位掩模板( Phase mask)、聚焦柱透镜(Cylinder lens)以及光纤固定结构等。 同时，可以通过搭建 DBR测量系统来实现对 DBR刻写状态的实时监测以 及 谱线 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。包括:宽带光源(Broadband source, BBS)，偏振控制器(PC)，光纤 耦合器(Coupler)以及光纤光谱分析仪(Optical fiber spectrum analyzer, OSA)。 图 2-7所示为实验室制作 DBR激光器的装置图，首先 193nm脉 冲紫外激光 从准分子激光器出射，激光光斑形状为 3mm×6mm(高×宽)的矩形。激光在经 由直角反射镜后进入刻写操作光路，反射镜被固定于 PI上，平移台的移动方向 与激光器出射方向平行，因此，通过调节 PI运动来达到对光束的位置进行调整 的目的，从而可以增大激光照射范围，同时可以完成扫描刻写以及逐点刻写等方 法。 18 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 图 2-7 DBR刻写 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 示意 图 首先我们刻写高反射率光栅，在刻写的时候我们通过一个宽带光源(BBS) 和一个光谱仪来监测光纤光栅的透射谱，如图 2.2所示，随着 193nm紫外激光的 扫描，光纤光栅的反射率逐渐增大，当扫描 20分钟后，光栅的反射率达到 25dB， 这时停止紫外激光束的扫描，从图中可以看出此时的光纤光栅长度为 6.5mm。 图 2-8激光器高反端光栅生长曲线 19 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 然后，我们刻写低反光栅，紫外激光束保持相同的能量和速度扫描，两个光 栅之间的间隔为 8mm，为了监测激光输出将 980nm泵浦源打开，输出功率为 130mW。图 2.3所示的是激光输出功率随着低反光栅长度增大而变化图，当低 反光栅长度为 4.5mm时，激光器开始起振，从图 2-8的光纤光栅生长图可以推 断出，此时低反光栅的反射率为 10dB。同时，我们利用宽带光源和光谱仪观测 光栅对透射谱中的谐振模式情况，发现有几个个谐振模式，前面已论证，为了获 得单纵模输出，控制低反光栅的曝光量，使光栅对透射谱的中心只有一个谐振波 长，这时停止紫外激光束的刻写，如图 2-8所示。此时低反光栅长度为 -10 5.5mm， -20 相对应的反射率约为 20dB。 -30 -40 -50 -60 -70 -80 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 Grating length (mm) 图 2-9激光器的输出功率与低反光栅长度的关系 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 1541.0 1541.2 1541.4 1541.6 1541.8 1542.0 Wavelength (nm) 图 2-10光栅对透射 谱 20 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 图 2-10所示的是利用光谱仪和频谱仪监测的激光光谱图和频谱图，在图 2-11 (a)中，信噪比约为 60dB，光谱的中心波长为 1541.59nm，如图 2-11(b)所 示，当激光通过一个高速的光电检测器，在射频内就能观察到相对应的拍频信号， -20 -10 拍频值为 494.68MHz，信噪比约为 40dB。 -20 -30 -30 -40 -40 -50 -50 -60 -60 -70 -70 -80 -80 -90 200 400 600 800 1000 1539 1540 1541 1542 1543 1544 Wavelength (nm) Beat Frequency (MHz) (a) (b) 图 2-11(a)DBR光纤激光器输出光谱图(b)DBR光纤激光器输出频谱图 为了与上述制作的 DBR光纤激光器进行比较，我们还刻写了一个腔长较短 的 DBR光纤激光器，光栅之间的间隔设定为 4mm，其它参数和上述光纤激光器 都一样。高反刻写过程与前面类似，在刻写低反光栅的时候通过光谱仪监测激光 输出情况，但是在这个过程中我们始终没有观察到有激光输出，原因是腔长较短， 激光腔内增益小于损耗，导致没激光输出。如果将光栅之间的间隔设定超过 12mm，由于纵模间隔较短，那么在光栅的发射峰内会有较多个谐振模式，这时 就很难控制刻写低反光栅的曝光量使光栅对的透射谱中心只有一个谐振波长，容 易出现多纵模激光输出。这两种情况都不适合本论文中的复用实验研究。而最开 始的制备的 DBR光纤激光器不但是单纵模输出，且激光输出功率也较高，拍频 信号稳定，因此被选用来本论文中的复用实验研究，并对它的激光输出强度随着 随泵浦功率变化进行了测量，如图 2.6所示，从图中很明显的看出，激光器所需 的阈值比较低低，只需 10mW，这非常有利于激光传感的复用。 21 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 -14 -16 -18 -20 -22 -24 -26 -28 -30 0 20 40 60 80 100 120 Pump power (mW) 图 2-12输出激光强度随泵浦功率变化图 综上所述，我们可以得到以下结论: (1)我们利用 193nmArF准分子激光器紫外侧边扫描技术和相位掩模法直 接在掺饵光纤上刻写相隔一定间隔的光栅对，获得 DBR光纤激光器。在刻写过 程中，利用光谱仪实时监测光纤光栅的生长过程以及激光功率的增长变化，并同 时利用宽带光源和光谱仪观察光栅对透射谱中谐振波的情况，以便更好的控制光 栅的曝光量来获得单纵模激光输出。 (2)通过与当腔长较短和较长两种情况时对比，得出当高反和低反光栅分 别为 6.5mm和 5.5mm时，光栅之间的间隔设定为 8~10mm最合理，该 DBR光 纤激光器不但是单纵模激光输出，且输出功率较高，拍频信号较稳定，最适合本 论文中复用实验的研究，其激光输出信噪比为 60dB，拍频信号信噪比为 40dB， 且 3dB带宽为 3kHz。此外，该 DBR光纤激光器所需的阈值较低，有利于激光 传感的波分/频分复用。 2. 4 DBR短腔激光器的退火处理 退火处理一般用在经过载氢处理后刻写的布拉格光纤光栅或长周期光纤光 栅，载氢光纤光栅中存在未反应的氢、氘，退火处理可以迅速去除光纤光栅中的 氢、氘，降低光纤的平均折射率与光栅的调制深度，退火的结果一般是，光纤光 栅的中心波长向短波方向移动，反射率降低，带宽变窄，防止光纤光栅参数随时 间缓慢改，使其性能迅速达到稳定。 22 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 虽然我们在刻写光纤光栅的过程中，光纤没有经过载氢处理，但是 DBR光纤 激光器在刻写过程中，紫外光直接照射在增益光纤上，会引入额外的应力，这些 应力也会影响光纤光栅的稳定性，使激光器产生的拍频信号稳定性也随之变差， 严重的影响传感器的性能。在自然条件下这个应力释放的过程又十分的漫长，需 要几周甚至几个月的时间才能使 DBR光纤激光器达到令人满意的状态。为了使 DBR光纤激光器可以在短时间内去除刻写过程中引入的应力，可以效仿载氢光 纤光栅的退火过程，将刚刻写玩的 DBR光纤激光器放入温控炉内，在 200摄氏 度下进行退火处理 10个小时左右。 退火处理同样可以使 DBR光纤激光器快速的完成应力释放过程，经过退火处 理后的 DBR光纤激光器的输出光强会因为光纤光栅的反射率在一定程度上的减 小而得到明显的提高。尤其是拍频信号的强度及峰值频率的稳定性也会有很大程 度的提升。比如，单掺铒光纤刻写的 DBR光纤激光器在退火之前，拍频信号的 峰值频率波动的范围大概为 0.5MHz，退火之后拍频信号的峰值频率波动的范围 可以降低到 0.3 MHz;铒镱共掺光纤刻写的 DBR光纤激光器在退火之前，拍频 信号的峰值频率波动的范围大概为 2MHz，退火之后拍频信号的峰值频率波动的 范围可以降低到 1MHz[40];。同时退火处理还可以在一定长度上降低拍频信号的 温度灵敏度。 2. 5 本章小结 在本章中，我们阐述了 DBR光纤光栅激光器的工作原理，介绍了激光器的 拍频与双折射的关系。研究了单纵模 DBR光纤光栅激光器的制备工艺，成功地 使用单掺铒光纤制作了输出稳定的单纵模 DBR光纤激光器，并讨论了退火处理 对激光性能的影响。 23 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 第三章正交偏振双频光纤激光器的磁场传感研究 3. 1 引言 在第二章中，我们阐述了 DBR光纤光栅激光器的工作原理，介绍了激光器 的拍频与双折射的关系。研究了单纵模 DBR光纤光栅激光器的制备工艺，并成 功地使用单掺铒光纤制作了输出稳定的单纵模 DBR光纤激光器。 将 DBR光纤光栅激光器应用于光纤传感器中，具有灵敏度高、抗电磁干扰、 重量轻、结构简单等优点，因此得到广泛的应用。 3. 2 正交偏振 DBR光纤激光器的传感原理 3.2.1光纤的双折射效应 一般的轴对称单模光纤，可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正 交模式。如果光纤是完全的轴对称形式(几何形状为理想圆，折射率分布均匀)， 则这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，彼此简并，因而在传播过 程中偏振态不会变化。但是，由于存在残余内应力和非轴对称结构等内部原因， 或者光纤的弯曲、扭曲、外加电场、磁场等外部原因，实际的光纤会存在双折射 [68]。 由于光纤具有双折射，处于单纵模运转的 DBR光纤激光器输出的激光具有 两个正交偏振态模式，由于这两个偏振模式的工作频率不同，所以二者混频会产 生一个拍频信号。当激光器受到温度或者应力等外界物理量的作用时，光纤的双 折射会发生变化，从而改变激光器的偏振拍频，实现传感功能。 下面推导拍频信号与双折射之间的关系公式。 我们定义 DBR光纤激光器输出激光的两个正交偏振方向分别为 x 方向和 y 方向，则其对应偏振模式的波长为,x、, y，频率为v x、v y。由光纤布拉格光栅 的布拉格条件: , , 2neff , (2.1) 24 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 可以推出两个偏振模式的波长为: ,x , 2nx, , 2nxLeff , , M (2.2) , , ,y , 2ny, , 2nyL eff , , M , 其中 nx、 n y是两个偏振模式的有效折射率，Λ为光栅周期，M是激光腔内谐振 模式的阶数， Leff是激光腔的有效腔长，大小由 2.2式和 2.3式得出。 c，可得光纤激光器的偏振拍频为: y , c和v 根据vx , , , x y (ny , nx)2, ,v , vx , vy , ,c , ,c , c 4nxny, x y (2.3) 2 由于 nx和 n y相差不大，并且都非常接近 n0，所以可推导出拍频信号为: (2.4) (ny , nx) , c ,v , c B n0,0 2n02, 其中,0是光纤光栅布拉格波长， n0为光纤的平均折射率， B为光纤的双折射， 定义为 B , nx , ny。 3.2.2弹光效应 由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应。由于沿应力方向发 生折射率变化，原来各向同性的材料也可变成各向异性，即折射率椭球发生变化 而呈现双折射。 由[]和[全战]， 当光纤受到侧向压力的线密度为 f时，侧向压力引入的双折射为[41] 3 ,n , 2n cos(2,) (1， ,)(p11 , p12) f (2.5) ,rE 其中 θ为侧向压力与一个正交方向的夹角。 3.2.3正交偏振光纤激光器的传感原理 DBR光纤激光器中两束正交偏振光的产生，是由于激光器谐振腔的双折射， 25 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 DBR光纤激光器输出的激光处于单纵模运转，但具有两个正交的偏振态模式， 由于这两个正交偏振模式的激光的频率稍有不同，所以二者混频会产生一个频率 为两模式频率之差的拍频信号。在此我们可以推导一下光纤激光器谐振腔的双折 射与光纤激光器产生的拍频信号的关系:我们分别定义两个正交偏振方向为 x方 向和 y方向，则其对应偏振模式的频率分别为 vx，vy。光纤布拉格光栅的布拉格 条件: , , 2neff, (2.6) 可以得到: , 2nxl e f , , 2nx, , x , M , , 2nyleff (2.7) , , , 2ny, , , y , M 其中 nx，ny，分别是两个偏振态在谐振腔中的有效折射率，Λ为谐振腔两端光栅 对的周期，M是激光器谐振腔腔内谐振模的序数，Leff是激光器谐振腔的有效腔 长，而且[67] Leff , L0 ，leff1 ，leff2 (2.8) 其中 L0是谐振腔两两端光栅之间的增益光纤长度，leff1和分别是两端光栅对 leff2 谐振腔的腔长有贡献部分的长度，而且: R leff , l (2.9) g 2a tanh R 其中 lg是光栅的长度，R是光栅的反射率。 由于 vx=C/λx几和 vy=C/λy，则 光纤光栅激光器运行在有两个正交极化状态的单纵模模式。激光腔内的固有 双折射导致两个正交极化状态上的频率不同，从而产生一个拍频信号(通过探测 激光器输出)，此拍频可表示为: , ,,x , c (ny , nx)2, ,v , vx , vy , ,c , ,c , c y (2.10) 2 ,x,y 4n ny , x y x 而因为 nx，ny的差别非常的小，而且都很接近于 no，所以 26 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 ,v , c (ny , nx) c 2n n , , n0,0 B (2.11) x y 其中: (2.12) B , ,0(ny , nx) 2n , 0 此时，定义光纤激光器谐振腔的双折射:B=nx-ny。 正交偏振双频光纤激光器的传感器的传感原理是当激光器谐振腔受到侧向 压力时，由于弹光性效应激光器谐振腔的双折射会改变 ,n，由上式可知当谐振 腔的双折射发生改变时激光器产生拍频信号的频率也会改变。如果侧向压力在激 光器谐振腔上的作用范围小于激光器谐振腔的有效长度 leff，那么这两正交个偏 振模式的波长可以用下面的公式进行描述: , 2nxLeff ， 2,nxl , , ， 2,nxl , ' , x , x M M , , (2.13) , 2nyLeff ， 2,nyl , , ， 2,nyl ' , , y y , , M M 激光器产生的拍频信号频率为: 当双极化光纤光栅激光器，受到横向应力时，横向应力作用于激光腔，线性 双折射被诱导，表达为: ，p11 , p12，，1，, p，cos，2,， 2n0 B f , (2.14) ,rE f 3 这里， p11和 p12是光纤材料的光应力张量， , p是泊松比， f表示单位长度线 性力， r是光纤半径，,是作用力与快轴的角度， E是光纤的杨氏模量。 由方程(1)，由于横向应力作用，在单位有效腔长内，拍频的变化可表示为: 2cn0 ，p11 , p12，，1，, p，cos，2,， ,, f , (2.15) ,r,0E f 2 这表明拍频变化与横向应力之间是线性关系。 表 3.1相关符号的物理意义与数值 物理符号 物理意义 数值 3×108m/s c 真空中光速 27 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 n0 1.465 纤芯折射率 p11 光纤有效弹光系数 0.121 p12 光纤有效弹光系数 0.270 石英泊松比 0.17 ,p λ 1550nm 真空中光波长 石英杨氏模量 79GPa E 从上面的公式我们可以得出，拍频信号频率的变化与侧向压力的大小成正比 关系，对侧向压力的灵敏度取决于与光纤偏振主轴的夹角 θ。那么，当侧向压力 正好作用于光纤偏振主轴，即当 θ=0或 900时，激光器的拍频信号的频率对侧向 压力最为敏感。从公式(3.44)中还可以看出，当 θ=0拍频信号的频率值增大最 明显，θ=900时拍频信号频率值减小最明显[42]。在这里，我们定义侧向压力使激 光器的拍频信号的频率增大最明显的轴为慢轴，侧向压力使激光器的拍频信号的 频率减小最明显的轴为快轴。 为了验证侧向压力对光纤激光器拍频信号频率的影响，我们将光纤激光器固 定在光纤旋转器上，使光纤激光器可以沿轴向进行旋转，在光纤激光器的旁边放 置一根去掉涂覆层的普通单模光纤，作为支撑光纤，再将一光滑的有机玻璃片置 于两根光纤之上，确保光纤受力方向为指向光纤轴心方向。在实验过程中，我们 将一质量块压在有机玻璃片上，记录第一个拍频信号峰值频率的变化量，然后旋 转光纤旋转器，光纤每旋转 5o记录一次拍频信号频率的变化量，一直到光纤旋 转器旋转 3600为止。 28 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 图 3-1拍频信号变化曲线 图 3-1所示为光纤旋转器旋转一周的过程中，在侧向压力作用下的光纤激光 器拍频信号频率的变化情况，其变化趋势与式(2.15)描述的激光器在侧向压力 作用下拍频信号频率的变化规律相符，拍频信号频率的变化与 θ近似呈正弦关 系，拍频信号频率正向移动最大的位置与负向移动最大的位置之间的夹角也十分 接近 900。 上面的实验结果可以为我们设计和研制高灵敏度的光纤磁场传感器提供思 路。基于正交偏振双频光纤激光器的磁场传感器，就是应用侧向压力可以改变拍 频信号频率的特性进行传感应用的，将对微弱磁场的测量可以通过将磁场转变为 施加在激光腔上的侧应力，从而改变拍频信号的频率。 图 3-2横向应力 DBR光纤激光传 感实验装置图 29 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 如图 3-2所示的是横向应力传感测量的实验装置图，DBR光纤激光器固定在 一块硅板上，并在激光器上施加不同重量的玻璃片。本实验研究了力方向与偏振 轴方向的夹角对横向应力灵敏度的影响，该 DBR激光器的高反光栅长度为 9mm， 低反光栅长度为 5.6mm，光栅之间的间隔为 6mm。一块 4mm长不同重量的玻璃 片施加在 DBR光纤激光器上，通过光纤旋转器从 0度到 360度每隔 30度旋转一 次，测量不同横向应力对应的拍频信号。如图 3-3所示，当角度一定时，拍频信 号随着应力的改变而变化，里面的小图所示的是拍频信号与横向应力成线性关 系。由式(2.15)可知灵敏度与力的方向和偏振轴方向的夹角有关，本实验中， 0度即为光纤快轴的方向，如图 3-4所示，当力的方向沿快轴和慢轴时，灵敏度 变化相互抵消，即,n , ,n。这个实验研究有利于在利用 DBR光纤激光器进行 x y 最大，而当夹角为 45度时，灵敏度最小，这是因为此时两个轴所产生的折射率 传感应用时，对一些参数的设计并最佳化。 图 3-3不同应力 DBR光纤激光 器拍频信号图 30 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 图 3-4不同角度对应的灵敏度 3. 3 光纤磁场传感器的设计与磁场传感机理分析 3.3.1基于 DBR光纤激光器和安培力的光纤磁场传感器设计 31 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 Figure 3-5. Schematic and experiment setup for magnetic field sensor based on an dual-polarization fiber grating laser and magnetic field induced. Ampere force. ISO: Isolator; WDM: Wavelength division multiplexer; PC: Polarization controller. PD: Photodetector. 根据图 3-5光纤磁场传感机理，我们搭建基于安培力和 DBR光纤激 光器的 光纤磁场传感系统。磁场传感器的结构图如图 3-4示。将一个双偏振光纤光栅激 光器用 502胶水粘在铜导线下面，放入特定磁场中，流过铜导线的电流受磁场作 用将产生安培力，此安培力可由光纤光栅激光器感知。光纤光栅激光器有两个正 交极化状态，运行于单纵模式，经光电探测后，生成一个拍频信号。当横向力作 用于激光腔时，激光腔内诱导产生线性双折射，拍频也随之改变。实验装置如图 1所示。光纤磁场传感器放置于由两个磁体产生的磁场中，磁场强度大小由磁 体间距变化来调整。光纤磁场传感器是一个刻写在掺铒光纤上的双偏振分布式布 拉格反射镜(DBR)，光栅长度分别为 7.5毫米和 5.5毫米，光栅间距为 6毫米。 979nm处的吸收系数为 11.3dB/m。安培力由铜导线中的交变电流产生，交通过 voltage-to-current转换器由函数发生器控制。光纤光栅激光器是由 502胶水粘在 为了确保安培力能完全作用到光纤光栅激光器上，另一个 18 × 25毫米的小 铜导线与一个 76×25毫米大小的波片上，确保铜导线和光纤光栅激光器的紧密 波片放置在铜导线上，另一个相同的结构作为支撑结构，再将一光滑的有机玻璃 接触。 片置于两根铜导线之上，确保光纤受力方向为指向光纤轴心方向，如图 1所示。 当安培力方向与光纤光栅激光器的偏振轴的方向对齐时，传感器灵敏度最大。光 纤光栅激光器的输出经过偏振器后被探测器接收送入频谱分析仪，生成一个射频 信号。为了确保波片完全挤压到光纤激光器上面，一个 200 g的预加载加到大的 波片上，这也提供了一个额外的应力，使原始拍频大小由 1.017 GHz降到 980 MHz。 3.3.2基于安培力的光纤磁场传感原理 在图 1所示的光纤磁场传感器中，一个双极化光纤光栅激光器放置在铜线下， 以感应流经铜线的电流所产生的安培力。 众所周知，电流在垂直的磁场中产生安培力: FH , H , I , LH (3.1) 32 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 这里， H是磁场强度， I是电流强度， LH是电流流经磁场的长 度，如果所 有的应力都作用到激光腔，那么单位长度的安培力是: fH , H , I , LH / LC (3.2) 这里， LC是激光腔的长度。由式(3)和(5)，垂直磁场诱导的拍频可表示为: ，p11 , p12，，1，, p，cos，2,， 0 2cn, L H ,, H , , H , I (3.3) 2 L C ,r,0E 它表明，当安培力沿一条光纤偏振轴作用时，磁场诱导产生的拍频与磁场强度和 电流强度成线性关系。 环境扰动也能导致激光腔的线性双折射，通常，这些环境干扰表现为一些 低频扰动。如果电流是直流电，那么磁场诱导固定的双折射，它难以从干扰产生 的双折射辨别出来。然后，提出的设计允许将一个交变电流注入到铜导线中。如 果一个角频率为,ac，幅度为 A的正弦交变电流注入，此时拍频可表示为: ，p11 , p12，，1，, p，cos，2,， 0 2cnc , LH , H , A,cos，,act， ,, , n0,0 ，BI ， BD，， 2 (3.4) L C ,r,0E 这里， BI是光纤的固有双折射， BD是干扰引起的双折射。磁场诱导频率的改变 将会搬移到一个以,ac为中心的带宽上。由于扰动是磁场及电流独立，环境干扰 引起的频率改变保持在低频带宽上。所以，带通滤波可以大大抑制干扰，并提供 一个安静的磁场检测环境。 由式(3.4)所示，当铜导线中施加的电流一定时，由拍频的变化 ,v即可推 知磁场大小。 33 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 3. 4 DBR光纤激光器的磁场响应 图 3-5 The measured waveform for the beat signal frequency variation versus time with an alternating current of 300 mA amplitude at 500Hz and a magnetic field strength of 197 G 在实验过程中，我们将一质量块压在有机玻璃片上，记录第一个拍频信号峰 值频率的变化量。如图 3-5所示为拍频信号随时间变化的波形图。磁场强度为 197 G，注入到铜线的电流是频率为 500 Hz、振幅为 120 mA的交流电。一个 500 Hz的正弦曲线可明显观察到，表明由于交流电产生安培力，光纤光栅激光器的 拍频随时间呈正弦变化趋势。也观察到正弦曲线波形有一些失真，这可能是因为 502胶水的杨氏模量很低，故 502胶水形成的软结构无法对交流电产生的安培力 无法立即做出回应。采用杨氏模量较大的材料，如用树脂封装，结果会更好。 34 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0 450 400 0.8 350 300 0.6 Measured Results 250 Polynomial Fit of B 0.4 200 150 0.2 100 50 0.0 0 200 400 600 800 1000 Altermating Current Amplitude(mA) 图 3-6The beat frequency variation amplitude at 500 Hz for various current alternating amplitude and a magnetic field magnitude of 197 G 图 3-6所示为磁场强度为 197 G，交流电频率为 500 Hz时，测得的拍 频变化 幅度随交流电的振幅变化的曲线。这表明，拍频变化幅度与安培力大小成正线性 关系。当交流电振幅很大时，拍频振幅趋于饱和。由此表明，当安培力过大时， 502胶水(α,氰基丙烯酸乙酯)结构对安培力的响应饱和，这可能是因为α, 氰基丙烯酸乙酯结构相当柔软，使得施加到光纤光栅激光器上的安培力与交流电 的振幅不完全成线性关系。因此，将 502胶水(α,氰基丙烯酸乙酯)替换为杨 氏模量较大的材料，可提高线性度。树脂封装将会是提高线性度的有效方法。此 外，树脂封装还可以保护传感器不受环境干扰，进一步提高传感器的灵敏度。 本章小结: 3. 5 在本章中，我们阐述了正交偏振双频光纤激光器的传感原理，并提出了基于 DBR光纤激光器和安培力的光纤磁场传感器，通过改变铜导线里的交流电，磁 场诱导产生安培力，并作用于双极化光纤光栅激光器上，使其拍频发生变化，应 用于磁场测量。在一个高频段内执行测量，实验结果与理论分析具有相同的趋势， 并对实验结果进行分析比较，证明了这种新颖的光纤磁场传感器在无温度影响时 具有高灵敏度。 35 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 第四章磁场传感器结构增敏研究 引言 4. 1 从前面的实验中，我们发现 DBR光纤光栅激光器的拍频与铜导线中电流的 线性关系并不太明显，这个结果并不意外，因为随温度升高 502胶水的结构变软， 将 502胶水(α,氰基丙烯酸乙酯)替换为杨氏模量较大的材料，可提高线性度。 本章我们提出了增敏结构方案，目的是通过结构的设计与优化，去除 502胶 水的设计，并确定激光器的快轴与慢轴，使激光器的一偏振轴与安培力施加的方 向对齐，从而使得磁场传感器原结构中铜导线所产生的安培力完全施加到 DBR 激光器的激光腔上，从而实现光纤磁场传感器灵敏度的有效提升。 4. 2 增敏结构实验 4.2.1光纤激光器快轴、慢轴的确定 侧向压力对拍频信号的影响，拍频信号对侧向压力灵敏度与侧向压力与激光 器的快轴、慢轴夹角有关:当相同的侧向压力作用在快轴上时，拍频信号频率负 向漂移是最大;当相同的侧向压力作用在快轴上时，拍频信号频率正向漂移最大。 为了尽量提高传感器的压力灵敏度所以在封装之前，我们需要找到谐振腔的快轴 或慢轴。 我们将光纤激光器固定在光纤旋转器上，使光纤激光器可以沿轴向进行旋 转，在光纤激光器的旁边放置一根去掉涂覆层的普通单模光纤，作为支撑光纤， 再将一光滑的有机玻璃片置于两根光纤之上。在实验过程中，我们将一质量块压 在有机玻璃片上，记录拍频信号峰值频率的漂移量，然后再将光纤自由旋转再记 录拍频信号频率的漂移量，如此反复找到光纤激光器的快轴与慢轴。 4.2.2增敏实验结构 36 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 Fig. 4-1. Schematic and experiment setup for magnetic field sensor based on an dual-polarization fiber grating laser and magnetic field induced Ampere force. ISO: Isolator; WDM: Wavelength division multiplexer; PC: Polarization controller. PD: Photodetector. 优化后的实验设置如图 4-1。光纤磁场传感器垂直放置于由两个永磁体产生 的磁场中，磁场强度通过调整磁体间距来实现。光纤光栅激光器是一个刻写在掺 铒光纤上的双极化分布式布拉格光纤激光器，其中，光栅长度分别为 7.5mm及 5.5mm，光栅间距为 6mm。在 979mn处的吸收系数为 11.3 dB/m。铜导线中的交 变电流通过电压电流转换器由函数发生器控制，从而产生安培力。铜线粘在一个 76× 25 mm的波片上。为了确保安培力完全作用到光纤光栅激光器上，将光纤 光栅激光器与另一根支撑光纤平行放置于一个 18× 25 mm的小波片上，并将 粘有铜线的大波片置于小波片之上。将光纤光栅激光器的的偏振轴方向与安培力 方向对齐，响应灵敏度最大化。光纤光栅激光器的输出经过偏振器后被光电探测 器接收行不通一个可被频谱分析仪监测的射频信号。为确保光纤光栅激光器被波 4.2.3增敏光纤磁场传感器磁场测量结果 片紧密挤压，一个重为 200g的预加载放在玻片上，记录第一个拍频信号峰值频 率的变化量，发现其重力使光纤光栅激光器的拍频由 390MHz改变至 如图 4-2所示为拍频信号的频率随时间变化的波形图。磁场强度为 197 630MHz。 G， 注入铜导线的交变电流频率为 1 kHz，振幅为 160 mA。1 kHz的正弦曲线波形清 晰可见，表明由于交变电流产生的安培力作用，光纤光栅激光器的拍频变化的频 率为 1 kHz。图 4-2中可观察到平均拍频有缓慢漂移现象，是由环境干扰所引起 37 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 的。然而，拍频的振幅和频率的变化不随环境干扰而改变。 Fig. 4-2. The measured waveform for the beat signal frequency variation versus time with an alternating current of 160 mA amplitude at 1 kHz and a magnetic field strength of 197 G. 图 4-3所示为当交变电流大小固定为 240 mA时，测得的光纤光栅激 光器 的拍频随磁场强度大小而变化的曲线。 180 160 140 120 100 80 Measured Results 60 Linear Fit 40 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Magnetic Field Magnitude (G) Fig. 4-3. The beat frequency variation amplitude for various magnetic field magnitude. The current was alternating at 1 kHz with amplitude of 240 mA. 38 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 130 120 110 100 90 80 Measured Results 70 Linear Fit 60 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Alternating Current Amplitude (mA) Fig. 4-4. The beat frequency variation amplitude at 1 kHz for various alternating current amplitude and a magnetic field magnitude of 110 G. 图 4-4所示为当磁场强度固定为 110 G时，测得的光纤光栅激光器的拍频 随 交电电流的电流强度大小而变化的曲线。结果证实，如方程 7，光纤光栅激光器 的拍频变化幅度与磁场强度和交变电流电流强度成线性关系，结果表明，该传感 器的灵敏度可以通过改变交流电强度来调谐，在功率损耗可忍受前提下，通过增 大交流电振幅，传感器的灵敏度可以大大提高。 该传感器将磁场转换为安培力，这种机械结构对传感器的响应将有很大影 响。采用图 1所示结构，在磁场强度为 197 G，交流电振幅为 320 mA时拍频随 交流电频率变化曲线如图 5所示。当交流电频率在 1.0 kHz与 1.3 kHz之间时， 该结构的灵敏度更高，这应该是一个共振峰结构。通常，环境干扰很少能出现如 此高的频带。因此，在较少的环境干扰下，改变交流电使其在一个特定的频带内， 通过一个合适的机械结构设计，可以最大化其响应，对于大大提高传感器的灵敏 度是可能实现的。 39 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 200 180 160 140 120 100 80 60 40 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Current Alternating Frequency (Hz) Fig. 4-5. The measured beat frequency variation amplitude at various current alternating frequency. The amplitude of the alternating current is 320 mA and the magnetic field magnitude is 197 G. 4.3本章小结 在本章中，我们首先进行了光纤磁场传感装置的增敏优化研究，基于第三章 的传感装置，提出了一种增敏优化结构。并利用增每装置在一个高频段内执行测 量，该传感器一个固有的抗环境干扰能力。实验结果验证了理论分析，并证明了 这种新颖的光纤磁场传感器具有高灵敏度。 40 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 第五章总结 本文对正交偏振双频光纤激光磁场传感器液压传感器的传感原理进行了深 入的研究，并提出一种新颖的基于 DBR激光器和安培力的磁场传感器，并通过 实验结果验证了理论分析，证明了这种新颖的光纤磁场传感器具有高灵敏度。 (1)对 DBR正交偏振双频光纤激光器的研制方法进行了研究与优 化:利用 193nm准分子激光光束侧边扫描和相位掩模法，在单掺铒光纤上成功研制了单纵 模 DBR光纤光栅激光器。通过控制刻写光栅时的曝光量使光栅对的反射峰中心 只有一个谐振波长来获得单纵模激光输出。制备的激光器其整体长度最短可达到 10mm以下，拍频信号信噪比达到 70dB以上。激光器具有正交偏振双频输出， 为传感器提供了射频域监测信号。 (2)提出了基于单纵模正交偏振双频光纤激光器和安培力的光纤磁场传感器， 并对传感器的磁场传感机理进行了分析，推导了磁场强度与 DBR光纤光栅激光 器的关系，在实验上实现了对磁场的定性测量。 (3)进行了磁场传感增强增敏研究。提出增敏结构用以实验，并通过高温退火 方法，这些方法能够更为有效地将外界磁场转化为腔内双折射，从而增强了磁场 呼响应。并通过实验结果验证了理论分析，证明了这种新颖的光纤磁场传感器具 有高灵敏度。 41 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 参考文献 [1] A Dandridge, AB Tveten, Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier, Journals & Magazines, 1980. [2] A Kersey, D Jackson, M Corke, Single-mode fibre-optic magnetometer with DC bias field stabilization, Journal of Lightwave Technology, Vol. 3, 1985. [3] Guan B O, Wang S N. Fiber grating laser current sensor based on magnetic force [J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 2010, 22(4): 230-232. [4] Cranch G A, Flockhart G M H, Kirkendall C K. High-resolution distributed-feedback fiber laser dc magnetometer based on the Lorentzian force[J]. Measurement Science and Technology, 2009, 20(3): 034023. [5] Noda J, Hosaka T, Sasaki Y, et al. Dispersion of Verdet constant in stress-birefringent silica fibre[J]. Electronics Letters, 1984, 20(22): 906-908. [6] Dandridge A, Tveten A B, Giallorenzi T G. Interferometric current sensors using optical fibres[J]. Electronics Letters, 1981, 17(15): 523-525. [7] Lenz J E. A review of magnetic sensors[J]. Proceedings of the IEEE, 1990, 78(6): 973-989. [8] Yariv A, Winsor H V. Proposal for detection of magnetic fields through magnetostrictive perturbation of optical fibers[J]. Opt. Lett, 1980, 5(3): 87-89. [9] Cranch G A, Flockhart G M H, Kirkendall C K. High-resolution istributed-feedback fiber laser dc magnetometer based on the Lorentzian force[J]. Measurement Science and Technology, 2009, 20(3): 034023. [10] 邬林, 周次明, 丁立, 等. 基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感研究 [J]. 武汉 理工 [11] Horng H E, Hong C Y, Yang S Y, et al. Designing the refractive indices by 大学学报, 2011, 33(9): 24-27. using magnetic fluids[J]. Applied physics letters, 2003, 82(15): 2434-2436. A. Dandridge, A. B. Tveten, and T. G. Giallorenzi, “Interferometric current [12] sensors using optical fibers”, Electron. Lett., 17 (15), 523 – 525 (1981). [13] C. T. Shyu and L. Wang, “Sensitive linear electric current measurement using two metal-coated single-mode fibers”, J. Lightw. Technol., 12 (11), 2040 – 2048 (1994). [14] S. Jin, H. Mavoori, R. P. Espindola, L. E. Adams, and T. A. Strasser, 42 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 “Magnetically tunable fiber Bragg gratings”, in Proc. OFC’99, San Diego, CA, ThJ2, 135 – 137 (1999). [15] J. Gong, C. C. Chan, M. Zhang, W. Jin, J. M. K. MacAlpine, and Y. B. Liao, “Fiber Bragg grating current sensor using linear magnetic actuator”, Opt. Eng., 41 (3), 557 – 558 (2002). [16] 胡涛;赵勇;吕志伟;陈菁菁;;光纤磁流体 F-P电磁场传感器[J];光学精密工 程;2009年 10期 [17] 李智忠,张学亮,孟洲,杨华勇,胡永明;全保偏 M-Z型光纤磁场传感系统实 验研究[J];光电子•激光;2004年 10期 [18] Meng Z, Hu Y, Chen Z, et al. Miniature optical fiber sensor for alternating magnetic fields based on In-BiCa vanadium iron garnet crystal[J]. Magnetics, IEEE Transactions on, 2001, 37(5): 3807-3809. 陈菽莹, 汪歆, 韩振兴, 等. 干涉型光纤 Michelson 微弱磁场传感器降[19] 噪方法研究 [J]. 光电子?激光;2008 宋章启, 张学亮, 阳明晔, 等. 基于 Sagnac 干涉仪的光纤直流磁场传感研[20] 究[J]. 半导 体光电, 2008, 28(6): 874-877. [21] K. S. Chiang, R. Kancheti, V. Rastogi, “Temperature-compensated fiber-Bragg-grating-based magnetostrictive sensor for dc and ac currents”, Opt. Eng., 42, 1906 – 1909 (2003). [22] R. Gafsi and M. A. El-Sherif, “Analysis of induced-birefringence effects on fiber Bragg gratings”, Opt. Fiber Technol., 6 (3), 299 – 323 (2000). 杨颖;磁光光纤 Bragg光栅磁场传感特性研究[D];电子科技大学;2009年 [23] [24] Ling-Hao Cheng, Jian-Lei Han, Zhen-Zhen Guo, Long Jin, and Bai-Ou Guan. Faraday-rotation-based miniature magnetic field sensor using polarimetric heterodyning fiber grating laser, [J] Optics Letters, 38 (5), 688–690 (2013). A. T. Alavie et al. , A multiplexed Bragg grating fiber laser system, IEEE [25] Photon. Technol. Lett. , 1993, vol. 5(9): 1112-1114. [26] K. P. Koo and A. D. Kersey, Bragg Grating-Based Laser Sensors Systems with Interferometric Interrogation and Wavelength Division Multiplexing, Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(7): 1243-1249. [27] K. P. Koo and A. D. Kersey, Bragg Grating-Based Laser Sensors Systems with Interferometric Interrogation and Wavelength Division Multiplexing, Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(7): 1243-1249. 43 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 [28] B.-O. Guan, L. Jin, Y. Zhang, and H.-Y. Tam, “Polarimetric heterodyning fiber grating laser sensors”, J. Lightw. Technol., 30 (8), 1097 – 1112 (2012). [29] Y. Zhang, B.-O. Guan, and H. Y. Tam, “Ultra-short distributed Bragg reflector fiber laser for sensing applications”, Opt. Exp., 17 (12), 10050 – 10055 (2009). [30] H.K.Kim, S.K.Kim, H.G.Park, and B.Y.Kim, Polarimetric fiber laser sensors, Opt. Lett., 1993, vol. 18(4): 317-319 [31] G.A.Ball, G.Meltz, and W.W.Morey, Polarimetric heterodyning Bragg-grating Fiber-laser sensor, Optics Letters, 1993, Vol. 18(22): 1976-1978. [32] W. H. Loh, L.Dong, and J. E. Caplen, Single- Sided output Sn/Er/Yb distributed Feedback fiber laser, Applied Physics Letters, 1996, vol. 69(15): 2151-2153 [33] J. C. Yong, S. H. Yun, M. L. Lee, B. 0. Kim, Frequency-division-multiplexed polarimetric Fiber laser current-sensor array, Optics Letters, 1999, vol. 24(16):1097-1099 [34] O. Hadeler, M. Ibsen, and M. N. Zervas, Distributed-feedback fiber laser sensor For simultaneous strain and temperature measurements operating in the Radio-frequency domain, Appl. Opt., vol. 2001, 40(19): 3169-3175. [35] Bai-Ou Guan, HwaYaw Tam, SienTing Lau, and Helen L. W. Chan, Ultrasonic Hydrophone Based on Distributed Bragg Reflector Fiber Laser, IEEE Photonics Technology Letters, 2005, vol. 16(1): 169-171 [36] L. Y. Shao, S. T. Lau, X. Dong, A. P. Zhang, H. L. W. Chan, H. Y. Tam, and S.He High-frequency ultrasonic hydrophone based on a cladding-etched DBR fiber Laser, IEEE Photon.Technol.Lett. , 2008, vol. 20(8): 548-550. [37] Bai-Ou Guan, Long Jin, Yang Zhang, and Hwa-Yaw Tam, Polarimetric Heterodyning Fiber Grating Laser Sensors. IEEE Journal Of Lightwave Technology, Vol. 30(8), pp.1097-1112, 2012. [38] Mengping Li, Long Jin, Bai-Ou Guan, Wavelength/frequency-division multiplexing of heterodyning fiber grating laser sensors with the assistance of CO2-laser treatment, 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, 2012. [39] C. Spiegelberg, J. Geng, Y. Kaneda, S. Jiang, and N. Peyghambarian, Low noise narrow linewidth fiber laser at 1550 nm (June2003), J. Lightwave Technol. 22(1), 57-62(2004) 44 暨南大学硕士学位论文 基于正交偏振双频光纤激光器的微弱磁场传感器研究 [40] Rashleigh S C. Origins and control of polarization effects in single mode fibers [J]. J. Lightwave Technol, vol.1,p.312-331,1983. [41] 全战. 基于正交偏振双频光纤激光器的液压传感器[D]. 暨南大学, 2013. 45