基于法拉第效应的微型光纤激光磁场传感器

摘要

光纤传感器是一种于70年代末发展起来的新型传感器,它用光来承载敏感信息,用光纤来传递敏感信息,可以对电场、磁场、压力、温度、应变等物理量进行测量,具有抗电磁干扰、高探测精度与灵敏度、容易实现对被测信号的远距离监控、可大规模传感组网等显著特点。
　　光纤磁场传感器能够对磁场进行实时精确的测量,在智能电网、电流监测、磁场测量等领域备受青睐。本文提出基于法拉第效应的微型光纤激光磁场传感器,将其应用于磁场的测量,并通过对激光器的优化处理,以提高传感器的传感灵敏度。
　　本论文的主要内容如下:
　　首先,短腔DBR光纤激光器的研制,利用相位掩膜法及193nm准分子激光器,在掺饵光纤上直接刻写与模板波长相匹配的光纤光栅对,进而研制出单纵模光纤光栅激光器。该激光器的正交双频输出,为传感器提供了射频域的监测信号,激光器的整体长度可达20mm以下,输出拍频信号的信噪比可达70dB以上。
　　其次,实现了基于法拉第效应的微型光纤激光磁场传感器,根据光纤中的双折射效应及法拉第效应,推导了光纤激光器的拍频漂移与待测磁场之间的关系,实验上实现了对磁场的测量,验证了搭建的实验模型的有效性及相关的理论推导的准确性。
　　再次,提出了一种直接增加传感器灵敏度的方法:即利用一个紧靠着激光器平行放置的硅钢片作为磁场收集器来增强激光器谐振腔处的磁场强度,进而增加传感器的灵敏度。另外,提出了一种主动调节光纤激光器拍频频率的方法:热处理法。通过对光纤激光腔进行CO2激光曝光,可以有效的改变谐振腔内的双折射,进而改变激光器输出的拍频频率。通过这种方法实现了19MHz至1.7GHz的调谐范围,极大拓展了激光器拍频频率的调节范围,为传感器灵敏度的进一步提高奠定了基础。
　　最后,对整个论文所做的内容作了简要的总结,还预测了一种提高光纤磁场传感器灵敏度的方案,即旋转熔接法拍频主动调节技术,并对未来基于法拉第效应的微型光纤激光磁场传感器的产业化应用作了展望。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 光纤磁场传感器按基本原理的分类

1.3 光纤磁场传感器按结构形态的分类

1.4 本论文的创新点和主要内容

2 光纤激光器的原理及制备

2.1 光纤激光器简述

2.2 短腔DBR光纤激光器的设计原理

2.3 短腔DBR光纤激光器的制作

2.4 短腔DBR光纤激光器的退火处理

2.5 本章小结

3 基于法拉第效应的微型光纤激光磁场传感器的传感机理

3.1 光纤中的双折射效应

3.2 光纤中的法拉第效应

3.3 光纤磁场传感器的设计与原理

3.4实验与讨论

3.5 本章小结

4 基于法拉第效应的微型光纤激光磁场传感器的增敏技术研究

4.1 硅钢片收集磁场法

4.2 CO2激光器热处理调拍频法

4.3 本章小结

5 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

攻读硕士学位期间所参与的科研项目

致谢