激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响

谐振式光纤陀螺使用窄线宽激光器作为光源以得到较好的谐振特性,而激光光源线宽会受驱动电流、温度等的影响发生不同程度的展宽,从而影响标度因数。为探索激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响,利用光源与谐振腔的卷积模型建立陀螺谐振腔输出的解调曲线模型,基于该模型分析激光器线宽对陀螺谐振腔解调曲线斜率的影响,进一步得出激光器线宽展宽会非线性地减小标度因数的结论。完成了实验验证,并以半高全宽为300 kHz的谐振腔为例,给出了标度因数变化范围限制在1%以内时,激光器线宽需控制在3 kHz以内的结论。为谐振式光纤陀螺中激光器的选择以及驱动电路的设计提供了理论基础。     

谐振光学陀螺小型化半导体光源温控模块设计

半导体激光器以其窄线宽、驱动电路简单以及易于集成化等优势被广泛应用于谐振式光学陀螺 系统中。针对谐振光学陀螺小型化需求,设计了半导体激光器热电制冷器（TEC）温控模块。首先在 分析激光器管芯 TEC 模块传递函数特性的基础上,引入 PID 反馈模块,设计并确定合适的反馈参数。 结果表明补偿后闭环系统相位裕量为 76 °,增益裕量为 44.8 dB,具有较好的直流响应和动态性能,并 测得稳定工作时温度波动量小于 0.01℃。最后对激光器输出光学性能进行测试,中心频率漂移在 10 MHz 量级,激光器线宽为 3.1 kHz,结合谐振式光学陀螺的典型参数计算得到谐振腔精细度为 33, 极限灵敏度为 0.14 °/h。满足高性能谐振式光学陀螺中小型化光源的使用需求。     

受激布里渊光纤陀螺拍频稳定性

受激布里渊光纤陀螺利用两束布里渊散射光的拍频来指明陀螺的旋转角速度,拍频的稳定性将直接影响到布里渊光纤陀螺的稳定性.在分析了受激布里渊光纤陀螺基本工作原理的基础上,详细分析了受激布里渊光纤陀螺中温度、克尔效应与光学泵浦游失效应对拍频稳定性的影响,分析了受激布里渊光纤陀螺拍频温度系数和产生模式跳变的温度间隔;实验测得单模光纤环的布里渊散射光频率随温度的变化率为1.26KHz/℃;给出了综合考虑克尔效应和泵浦游失效应影响的陀螺拍频输出曲线,这些结果为布里渊光纤陀螺的进一步实现提供了一定的理论和实验依据.     

布里渊光纤环形激光器的发展与应用

随着光纤通讯和光纤传感技术的发展,布里渊光纤环形激光器迅速发展并得到了广泛应用。本文从光纤和几个主要光学器件的发展对布里渊光纤环形激光器的影响出发,综述了布里渊光纤环形激光器的发展历史,介绍了各种布里渊环形腔的特点,并探讨了它们的优点和存在的技术问题。布里渊光纤陀螺作为布里渊光纤环形激光器的主要应用,一经提出就受到了世界各国研究机构的普遍重视。与干涉型光纤陀螺相比,布里渊光纤陀螺采用的光纤长度要短得多,信号处理系统大大简化,在实现光纤陀螺高精度和小型化方面优势明显。文中还对布里渊光纤陀螺的原理和技术特点进行了分析,最后探讨了其发展过程中存在的技术问题及其发展前景。     

谱分裂对集成光学陀螺灵敏度影响

为寻求谐振式集成光学陀螺可实现灵敏度的优化,基于调频光谱原理,应用双频率组合调制的闭环控制结构,在对通过陀螺核心敏感器件谐振腔的结构参数优化、调制频率选择等措施实现决定于谐振腔谐振特性一阶微分最大值的最佳灵敏度情形的理论分析基础上,研究了谐振峰分裂对陀螺灵敏度的影响。相关实验表明,对于给定结构的谐振式集成光学陀螺,理论上的最佳参数,并不能保证理论最佳灵敏度的实现。通过双频率组合调制下无源环形谐振腔谐振特性的测量,发现了谐振腔谐振峰分裂现象,分裂程度随腔长增加而趋明显;谐振峰的分裂,导致透射谱展宽;透射谱展宽后一阶微分谱最大值的下降,将使陀螺灵敏度随之劣化。为应对这种劣化,需要对系统调制频率进行相应调整,并控制腔长,以抑制峰分裂程度,进而控制对陀螺灵敏度的影响。     

布里渊光纤陀螺增大动态范围新方案

针对布里渊光纤陀螺动态范围较小的问题,在比较了以往各种方案动态范围的基础上,提出了一种基于光强补偿的布里渊光纤陀螺动态范围增大方案.该方案使用大功率窄带激光器做泵浦源,在光路中引入光衰减器以及分光比不对称的耦合器,并通过反馈回路对两路光光强进行实时调节,从而可以消除泵浦游走效应对布里渊光纤陀螺动态范围的影响.通过分析和...     

集成光学陀螺的最佳腔长

作为谐振式光学陀螺的核心敏感器件,无源环形谐振腔(PRR)结构参数的选择,对陀螺灵敏度具有决定性作用.腔长正是这重要结构参数之一.基于多光束干涉理论的理论分析表明,谐振腔长的增加,一方面通过决定腔内干涉光程,优化PRR谐振特性,另一方面,又通过对腔光传输损耗的影响,决定着谐振条件的耦合比要求,从而成为腔内光传输总损耗重要决定因素,导致谐振特性劣化.根据谐振式光学陀螺的调频光谱测量原理,在陀螺灵敏度决定过程中,腔长的上述两方面影响所起的截然相反作用,从而决定了以陀螺最佳灵敏度为判据存在最佳腔长.仿真与实验结果与理论分析良好一致性,不仅证明了理论分析的正确性.也显示了其在集成光学陀螺结构设计与性能优化中的应用价值.     

谐振式光学陀螺用激光器双电流源混合驱动方法

针对谐振式光学陀螺对半导体激光器的窄线宽、低频率噪声和高调谐速率的需求,开展了低噪声、高带宽激光器驱动控制技术研究,提出了双电流源混合驱动的设计方案。采用一个环路带宽被大幅度压缩的大电流恒定电流源和一个环路带宽满足调谐要求的小电流压控电流源并联的方式,在对激光器进行高速稳定调谐的同时保证了其具有理想的频率噪声和线宽性能。解决了利用同一电流源提供恒定电流和调谐电流所引入的控制精度损失,或者由高调谐速率所导致的频率噪声和线宽劣化,影响陀螺锁频控制精度的问题。实现了激光器输出频率噪声优于25 Hz/Hz~(1/2)@10 kHz,在整个调谐范围内线宽小于3.6 kHz,以直径60 mm波导谐振腔为敏感环的谐振式光学陀螺为例,陀螺的锁频精度达到3.72°/h(约为0.48 Hz)。     

基于高斯相位调制的半导体激光器线宽展宽方法

基于激光器驱动的干涉型光纤陀螺是近年来国内外光纤陀螺研究的新热点,但半导体激光器作为一种窄线宽的高相干光源,将其用于干涉型光纤陀螺又会重新引入瑞利散射、Kerr效应和偏振交叉耦合等非理想特性进而影响陀螺的精度,因此有必要将半导体激光器的线宽加宽后再使用。为实现半导体激光器的线宽展宽,建立了基于高斯相位调制的光谱展宽卷积模型,利用OptiSystem仿真分析验证线宽展宽效果;通过搭建光路进行实验验证,实验结果证明,通过所提出的展宽方法可以将线宽10 MHz的激光器的光谱展宽成线宽11 GHz的光谱。为干涉型光纤陀螺中半导体激光器的应用提供了基础保证,具有一定的工程应用价值。     

激光线宽对干涉式光纤陀螺性能影响分析

干涉式光纤陀螺的标度因数稳定性进一步提升受限于宽谱光源平均波长扰动水平,影响了其对于旋转速率的测量精度以及在复杂环境下的长期使用。采用中心波长更稳定的激光能有效提升光纤陀螺的标度因数性能,但是激光的线宽窄,会重新引入宽谱光源已经基本消除的主要误差源。针对以激光作为干涉式光纤陀螺驱动光源的应用背景,基于光物理场方程计算得出干涉式光纤陀螺中克尔效应、偏振耦合以及背向散射误差与激光线宽的关系,并定量分析出在激光谱宽范围内的各项误差源。此外搭建了光纤陀螺实验系统,分别以窄线宽激光和通过外部相位调制进行光谱展宽后的激光为光源进行静态测试验证。实验结果表明,不同光源线宽下陀螺的角度随机游走和漂移同理论模型一致,证明了模型的正确性,且光纤陀螺在展宽激光驱动下,可满足零偏不稳定性优于0.01?°/h的导航级需求。     

集成光学角速度传感器及其关键器件的研制

本文介绍了清华大学研制的集成光学角速度传感器 ( IORS)系统方案及其关键器件 ,包括 :( 1 )窄线宽单模光纤 Bragg光栅外腔式二极管激光器 ( FBG- LD) ;( 2 )声体波的声光移频器 ( AOFS)及其直接数字合成 ( DDS)的控制电路 ;( 3)谐振型 IORS( R- IORS)的实验装置 ,采用光纤仿真的光波导 Sagnac敏感环 ( SSR) ;( 4 )干涉型 IORS( I- IORS)的实验装置 ,采用光纤仿真的再入式 SSR。采用上述 AOFS研制了一种全光纤延迟的自外差测量系统 ,用于测量上述 FBG- L D。初步的实验结果表明 ,所提出的上述 R- IORS和 I- IORS都可开发为新型光学陀螺的产品     

应用于三轴光纤陀螺中的双程后向ASE光源

根据三轴光纤陀螺的高精度需求,采用大功率高稳定性的高精度双程后向方案掺铒光纤光源。通过对ASE光源的理论分析建立数学模型,并根据所用掺铒光纤及泵浦光源的参数对光源进行谱型分析,确定光路方案。再以掺铒光纤和泵浦激光器的温度特性和补偿为研究重点,对掺铒光纤的长度和掺杂浓度以及泵浦功率和铒纤的匹配性进行试验,最终采用铒纤长度19 m,泵浦波长974.6 nm,泵浦功率140 m A,得到光源光功率为20 m W,平均波长变化量小于0.5′10~(-6)/℃,满足光纤陀螺对ASE光源的要求。     

光谱带宽对单偏振光纤消光比的影响

消光比是表征单偏振光纤偏振性能好坏的特征参数之一,影响它的因素有很多,如光谱带宽。结合熊猫型单偏振光纤的测量,搭建了双轴光谱带宽测量系统,通过对单偏振光纤的光谱带宽、消光比参数的大量测量和分析,找到了光谱带宽对消光比参数影响的原因。结论是单偏振光纤的工作波长要远离光谱带宽的下限位置,即HE_(11y)模式的截止损耗峰,另外,要求HE_(11y)模式的截止损耗要陡峭,这样才能保证单偏振光纤具有高消光比特性。     

绞合式光纤应变传感器

研究了一种可用于工程结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,由两根以上多模光纤相互绞合形成,分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变,又有测定压应变的结论,传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性、灵敏度高、无迟滞现象,对钢筋拉应变、混凝土压就矿业的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合土木工程测量、结构状态监测等方面的较为理想的光纤传感器。     

激光干涉测速中信号光纤色散测量

为对激光干涉测速系统(VISAR)中信号光纤的色散特性进行快速测量,搭建了一种基于时域法的 多模光纤色散测量装置。该装置由532nm 的皮秒激光器、快响应光电探测器以及宽带数字示波器组成,通 过对输入光纤前后的光脉冲时间宽度进行测量,来获得光纤的脉冲响应3dB脉宽(即色散时间)。利用该装 置分别对一根长度为123m 的国产梯度折射率光纤以及一根10m 长的阶跃折射率光纤在532nm 波长附近 的色散特性进行了测量。测得的梯度折射率光纤色散时间为(68316)ps,对应3dB频响带宽为646MHz; 阶跃折射率光纤色散时间为(163114)ps,对应频响带宽为271MHz。对实验结果进行了测量不确定度分 析,并与理论计算值进行了比较,获得了较好的一致性。研究表明,利用该实验装置,可对激光干涉测速应用 中信号光纤的色散特性进行迅速、准确的测量,从而为实验中信号光纤类型、长度等的合理选用提供参考。     

布里渊光纤陀螺克尔效应误差消除方法

针对克尔效应对布里渊光纤陀螺输出结果的影响,建立了基于方波调制的布里渊光纤陀螺克尔效应理论模型.分析表明,由克尔效应引起的陀螺误差不仅与光纤环内两相反方向光束的光强差有关,还依赖于两路泵浦光频率调制的幅度.通过适当调节两光束的频率调制幅度,可有效实现克尔效应误差的消除.该方法实验装置简单,对调制频率要求低,是消除布里渊光纤陀螺克尔效应的有效方法.     

封装光纤线圈的胶粘剂对光纤产生的热应力影响

分析了外加应力对光纤消光比的影响，对封装后的光纤线圈建立了简化的力学模型。根据弹性力学原理，利用有限元分析方法对其进行热应力分析，结果表明通过减小胶粘剂的热变形量可以减小对光纤的热应力影响。此外还进行了实验验证，所得实验结果与理论分析基本符合。     

Distributed strain sensing using frequency-modulated continuous-wave reflectometric optical technique

This paper presents an analysis describing the feasibility of a distributed optical fiber strain sensor whose principle of operation is based on the frequency-modulated continuous-wave (FMCW) reflectometry technique. The system consists of a frequency-swept laser diode and an unbalanced two-beam interferometer. In this system, the test arm comprises a number of single-mode fibers, which act as the sensing fibers, with a mirror at the far end and mechanical splices as the connectors, as well as the reflectors. Theoretical analysis shows that the measuring resolution of the strain is inversely proportional to the length of the sensing fiber. The strain variation of the sensing fiber is measured by demodulating the phase shift of the beat signal using a heterodyne signal processing system, and therefore the requirement of a high precision temperature control of the light source can be eliminated in this way. The comparison between the theoretical and experimental values of the strain resolution showed excellent agreement.