应用于高精度光纤陀螺的掺铒光纤光源研究

论文摘要

光纤陀螺被认为是光纤传感器领域的巅峰之作,被国内外很多研究机构大力研究。光纤陀螺是一个复杂的系统,测量角速度的方法则是测量加载了转速信号的光强,所以说光源质量的好坏直接影响了光纤陀螺性能的高低。本文首先从光纤陀螺的基本原理入手,分别从光源的光谱宽度、光功率和光谱形状三方面分析了光源对光纤陀螺的影响,确定适用于高精度光纤陀螺的光源类型是宽谱大功率高稳定性光源。比较分析了几种宽谱光源,确定超荧光光源是用于光纤陀螺的最佳光源。然后通过分析超荧光光源的基本原理选择了掺铒光纤光源作为研究对象,随后在铒离子三能级结构的基础上介绍了掺铒光纤光源的理论模型。在掺铒光纤光源的理论模型的基础上,分别进行了光源泵浦和光源结构的设计。在泵浦源电路的设计中,采用了数字控制的方法,分别设计了功率检测、温度检测、恒流驱动和热电制冷器(TEC)驱动电路,功率和温度的控制算法用FPGA来实现。在光源结构设计中,首先介绍了光源的五种基本结构,并作了分析比较,选择双程后向结构的光源作为主要的研究对象;其次介绍了光隔离器的原理,通过在光源中加入光隔离器有效地消除光反馈对光源的影响;然后介绍了偏振态对掺铒光纤光源的影响并提出了解决办法;最后介绍用于掺铒光纤光源的平坦滤波器,并实现了光源光谱的平坦化。在文章的最后对整个光源系统进行了测试,首先测试了泵浦源的性能,泵浦源的温度的变化在0.1℃内,功率稳定性在优于0.1%,控制精度优于0.1%,达到了设计目标;然后测试了光源的平均波长稳定性,分析了泵浦功率,泵浦波长以及掺铒光纤长度对光源平均波长的影响,通过优化各个参数,使光源平均波长稳定性达到了10ppm,得到了适用于光纤陀螺的光源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 光源对光纤陀螺性能的影响
• 1.2.1 光纤陀螺原理
• 1.2.2 光源谱线宽度对光纤陀螺的影响
• 1.2.3 光源功率对光纤陀螺的影响
• 1.2.4 光源与光像陀螺标度因数稳定性
• 1.2.5 光源谱线形状对光纤陀螺的影响
• 1.2.6 应用于光纤陀螺的光源的选择
• 1.3 超荧光光源的研究现状
• 1.3.1 国外研究进展
• 1.3.2 国内研究进展
• 1.4 论文研究内容
• 第2章 掺铒光纤光源的基本理论
• 2.1 稀土掺杂光纤光源的基本工作原理
• 2.1.1 稀土元素的发光原理
• 2.1.2 稀土掺杂光纤光源的基本原理
• 2.1.3 稀土元素的选择
• 2.1.4 铒离子的能级结构及泵浦波长选择
• 2.2 掺铒光纤光源的理论模型
• 2.2.1 初级理论模型
• 2.2.2 高功率掺铒光纤光源模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 泵浦源驱动电路电路设计
• 3.1 激光器的选择及总体电路设计
• 3.1.1 泵浦激光器原理
• 3.1.3 泵浦源驱动总体电路设计
• 3.2 泵浦源的功率检测及功率控制
• 3.2.1 功率检测
• 3.2.2 驱动电流的控制
• 3.3 泵浦源的温度检测及温度控制
• 3.3.1 温度检测电路
• 3.3.2 热电制冷器驱动电路
• 3.4 基于FPGA的数字控制逻辑实现
• 3.4.1 FPGA芯片介绍
• 3.4.2 FPGA设计流程与芯片选型
• 3.4.3 FPGA内部程序实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 掺铒光纤光源的结构设计
• 4.1 掺铒光纤光源的结构
• 4.1.1 掺铒光纤光源的基本结构
• 4.1.2 光隔离器原理
• 4.2 偏振态的控制及法拉第旋转镜
• 4.3 掺铒光纤光源的光谱平坦措施
• 4.3.1 应用于掺铒光纤光源的滤波器
• 4.3.2 长周期光纤光栅滤波器的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 光源性能测试及波长稳定性分析
• 5.1 泵浦源性能测试
• 5.1.1 泵浦源的稳定性
• 5.2 掺铒光纤光源波长稳定性分析
• 5.2.1 光源平均波长的定义
• 5.2.2 平均波长稳定性分析
• 5.2.3 课题研究中存在的不足
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢