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随着光纤光栅写制技术的不断成熟,基于光纤Bragg光栅(FBG:Fiber BraggGrating)的光纤无源传感技术得到了巨大的发展。但是随着对工程监测的要求越来越高,现有的光纤无源传感系统已难以满足要求。当今光纤传感技术的发展正朝着多参量化,多功能化,以及大规模网络化的方向发展。光纤激光器技术的发展使得光纤传感技术进入了有源传感的时代。光纤有源传感技术利用光纤激光器作为核心传感单元,与无源传感技术相比较,其传感信号的光功率更高,信噪比也更高,而且有源传感技术主要是对输出拍频进行解调,因此解调方法更为简单,灵敏度更高,成本也相对低廉。
本文在国家自然科学基金重点项目(No.60736039):集成化、高速率、多参数、大规模新型光纤传感网络关键技术及其应用研究;国家自然科学基金项目(No.10904075):基于倾斜光栅的多维微结构光纤光子器件机理及应用研究;国家自然科学基金项目(No.11004110):多维微结构光纤中声光效应机理及应用的研究;天津市科技支撑计划(No.11ZCKFGX01800):长距离分布式光纤通信线路安全预警技术与装备研究;中央高校基本科研业务费专项资金资助:基于微结构光纤光栅的新型光纤声光器件理论与应用研究的支持下完成的。主要内容包括:⑴对光纤无源和有源传感技术的工作原理以及研究现状进行了概括的描述,重点介绍了基于单纵模分布式布喇格反射(DBR:Distributed Bragg Reflector)光纤激光器的拍频解调有源传感技术。DBR光纤激光器不仅具有高信噪比、高输出功率等一系列优点,而且基于DBR光纤激光器的有源光纤传感技术主要利用输出拍频进行解调,因此解调方法更为简单,灵敏度更高,成本也相对低廉。⑵对单纵模DBR光纤激光器进行了理论设计和实验研究。利用基于光纤光栅的光纤激光器的基本理论,从理论上分析了F-P线形腔的输出特性,并探讨了对纵模间隔和纵模线宽的影响因素。在实验上制作了单纵模DBR光纤激光器,基本符合理论模拟结果。⑶设计了基于单纵模DBR光纤激光器的有源传感器,讨论了温度和应变对光纤双折射的影响,并对其传感原理进行了分析,成功研制了基于正交偏振拍频解调的有源温度和应变传感器,并基于上述原理对光纤的双折射度进行测量。利用双波长单纵模DBR光纤激光器,在实验上产生了光生毫米波信号,实验结果和理论推导相一致。⑷设计了基于多纵模DBR光纤激光器的有源传感器,讨论了应变、位移及温度等对光纤双折射的影响,并对其传感原理进行了分析,成功研制了基于纵模拍频解调的应变、位移和温度传感器,并基于上述原理对光纤的双折射度进行测量。