基于二阶保偏光纤Sagnac环光纤激光器的振动检测研究

周锐; 张菁; 忽满利; 冯忠耀; 高宏; 杨扬; 张敬花; 乔学光

doi:10.7498/aps.61.014216

摘要

提出了一种可用于振动检测的新型光纤光栅传感技术. 用偏振控制器和高双折射保偏光纤构建成Sagnac环, 结合掺铒光纤、单模光纤和隔离器, 形成了单波长光纤激光器, 由粘有光纤Bragg光栅的悬臂梁作为传感探头, 并利用Sagnac环本身的线性边缘, 解调振动信号. 阐述了Sagnac环原理及其产生的边缘效应, 并进行了数值模拟计算, 对振动信号进行了检测实验, 检测系统从L1到L1+L2之间对应的周期可调, 灵敏度高达38.2 W/nm, 线性度为0.9996, 动态范围在4070 dB, 可满足振动传感检测的技术参数要求.

关键词:

Abstract

A novel fiber grating sensing technique utilized for vibration detection is proposed and experimentally demonstrated. A single wavelength laser is formed by polarization controllers and polarization maintaining fiber (PMF) to construct the high birefringence (Hi-Bi) Sagnac loop, PMF combined with erbium-doped fiber, single mode fiber and polarizer. The cantilever glued to an FBG is used as a sensor probe, and the linear edge of Sagnac ring laser are used to demodulate fiber optic seismic vibration signal. Sagnac ring theory and its edge effects are described in detail, and numerical simulation and experiment show that the vibration signal detection system is adjusted periodically in a range from L1 to L1 + L2, sensitivity goes up to 38.2 W/nm of discrimination, the linearity is 0.9996, and the dynamic range is 4070 dB, these meeting the requirements for vibration detection technical parameters.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西北大学物理系, 西安 710069;

2.
西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室, 西安 710065

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60727004, 61077060)、国家863计划(批准号: 2007AA03Z413, 2009AA06 Z203)、教育部科技创新工程重大项目(批准号: Z08119)、科技部国际科技合作项目(批准号: 2008CR1063)、陕西省重大科技创新项目(2009ZKC01-19, 2008ZDGC-14)和西北大学研究生创新教育项目(批准号: 09YZZ53)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Physies, Northwest University, Xi'an 710069, China;

2.
Ministry of Education Key Laboratory of Photoelectricity Gas-oil Logging and Detecting, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60727004, 61077060), the National High Technology Research and Development Program of China (Grant Nos. 2007AA03Z413, 2009AA06Z203), the Science and Technology Innovation Project of Key Projects of Education Ministry of China (Grant No. Z08119), the Ministry of Science and International Cooperation Projects, China (Grant No. 2008CR1063), the Major Scientific and Technological Innovation Projects in Shaanxi Province, China (Grant Nos. 2009ZKC01-19, 2008ZDGC-14), the NWU Graduate Innovation and Creativity Funds (Grant No. 09YZZ53).

参考文献

[1]	Sun Q Z, Liu D M, Wang J 2007 Acta Phys. Sin. 56 5903 (in Chinese) [孙琪真, 刘德明, 王健 2007 物理学报 56 5903]
[2]	Garcia-Souto J A, Lamela-Rivera H 2006 Opt. Express 14 9679
[3]	Wang Y P, Rao Y J, Ran Z L, Zhu T 2003 Acta Phys. Sin. 52 1432 (in Chinese) [王义平, 饶云江, 冉曾令, 朱涛 2003 物理学报 52 1432]
[4]	Qiao X G, Jia Z A, Fu H W, Li M, Zhou H 2004 Acta Phys. Sin. 53 494 (in Chinese) [乔学光, 贾振安, 傅海威, 李明, 周红 2004 物理学报 53 494]
[5]	Xue L F, Zhao Q D, Liu J G, Guo T, Huang G L, Liu L H 2006 Acta Phys. Sin. 55 2804 (in Chinese) [薛力芳, 赵启大, 刘建国, 郭团, 黄桂岭, 刘丽辉 2006 物理学报 55 2804]
[6]	Zhang J L, Yu C X, Wang K R, Zhao D X, Lin M M, Li C 2009 Acta Phys. Sin. 58 3988 (in Chinese) [张锦龙, 余重秀, 王葵如, 赵德新, 林妹妹, 李成 2009 物理学报 58 3988]
[7]	Zhang C, Rao Y J, Jia X H, Chang L, Ran Z L 2010 Acta Phys. Sin. 59 5523 (in Chinese) [张超, 饶云江, 贾新鸿, 苌亮, 冉曾令 2010 物理学报 59 5523]
[8]	Jiang Y 2009 Advanced Optical Fiber Sensing Technology (Beijing: Science Press) p8 (in Chinese) [江毅 2009 高级光纤传感技术 (北京: 科学出版社) 第8页]
[9]	Chung S, Kim J, Yu B, Lee B 2001 IEEE Phot. Technol. Lett. 13 12
[10]	Wang J, Zheng K, Peng J, Liu L, Li J, Jian S 2009 Opt. Express 17 10573
[11]	Feng C X 2009 MS Dissertation (Beijin: Beijing Jiaotong University) (in Chinese) [冯彩霞 2009 硕士学位论文 (北京: 北京交通大学)]
[12]	Wang J, Zheng K, Li J, Liu L S, Chen G X, Jian S S 2009 Acta Phys. Sin. 58 7695 (in Chinese) [王静, 郑凯, 李坚, 刘利松, 陈根祥, 简水生 2009 物理学报 58 7695]
[13]	Yan F P, Mao X Q, Wang L, Fu Y J, Wei H, Zheng K, Gong T R, Liu P, Tao P L, Jian S S 2009 Acta Phys. Sin. 58 6295 (in Chinese) [延凤平, 毛向桥, 王琳, 傅永军, 魏淮, 郑凯, 龚桃荣, 刘鹏, 陶沛琳, 简水生 2009 物理学报 58 6295]
[14]	Lim K S, Pua C H, Harun S W, Ahmad H 2010 Opt. Laser Technol. 42 377

施引文献

[1]	Sun Q Z, Liu D M, Wang J 2007 Acta Phys. Sin. 56 5903 (in Chinese) [孙琪真, 刘德明, 王健 2007 物理学报 56 5903]
[2]	Garcia-Souto J A, Lamela-Rivera H 2006 Opt. Express 14 9679
[3]	Wang Y P, Rao Y J, Ran Z L, Zhu T 2003 Acta Phys. Sin. 52 1432 (in Chinese) [王义平, 饶云江, 冉曾令, 朱涛 2003 物理学报 52 1432]
[4]	Qiao X G, Jia Z A, Fu H W, Li M, Zhou H 2004 Acta Phys. Sin. 53 494 (in Chinese) [乔学光, 贾振安, 傅海威, 李明, 周红 2004 物理学报 53 494]
[5]	Xue L F, Zhao Q D, Liu J G, Guo T, Huang G L, Liu L H 2006 Acta Phys. Sin. 55 2804 (in Chinese) [薛力芳, 赵启大, 刘建国, 郭团, 黄桂岭, 刘丽辉 2006 物理学报 55 2804]
[6]	Zhang J L, Yu C X, Wang K R, Zhao D X, Lin M M, Li C 2009 Acta Phys. Sin. 58 3988 (in Chinese) [张锦龙, 余重秀, 王葵如, 赵德新, 林妹妹, 李成 2009 物理学报 58 3988]
[7]	Zhang C, Rao Y J, Jia X H, Chang L, Ran Z L 2010 Acta Phys. Sin. 59 5523 (in Chinese) [张超, 饶云江, 贾新鸿, 苌亮, 冉曾令 2010 物理学报 59 5523]
[8]	Jiang Y 2009 Advanced Optical Fiber Sensing Technology (Beijing: Science Press) p8 (in Chinese) [江毅 2009 高级光纤传感技术 (北京: 科学出版社) 第8页]
[9]	Chung S, Kim J, Yu B, Lee B 2001 IEEE Phot. Technol. Lett. 13 12
[10]	Wang J, Zheng K, Peng J, Liu L, Li J, Jian S 2009 Opt. Express 17 10573
[11]	Feng C X 2009 MS Dissertation (Beijin: Beijing Jiaotong University) (in Chinese) [冯彩霞 2009 硕士学位论文 (北京: 北京交通大学)]
[12]	Wang J, Zheng K, Li J, Liu L S, Chen G X, Jian S S 2009 Acta Phys. Sin. 58 7695 (in Chinese) [王静, 郑凯, 李坚, 刘利松, 陈根祥, 简水生 2009 物理学报 58 7695]
[13]	Yan F P, Mao X Q, Wang L, Fu Y J, Wei H, Zheng K, Gong T R, Liu P, Tao P L, Jian S S 2009 Acta Phys. Sin. 58 6295 (in Chinese) [延凤平, 毛向桥, 王琳, 傅永军, 魏淮, 郑凯, 龚桃荣, 刘鹏, 陶沛琳, 简水生 2009 物理学报 58 6295]
[14]	Lim K S, Pua C H, Harun S W, Ahmad H 2010 Opt. Laser Technol. 42 377

[1]	杨家濠, 张傲岩, 夏长明, 邓志鹏, 刘建涛, 黄卓元, 康嘉健, 曾浩然, 蒋仁杰, 莫志峰, 侯峙云, 周桂耀. 窄带空芯反谐振光纤的制备及其模式转换应用研究. 物理学报, 2022, 0(0): 0-0. doi: 10.7498/aps.71.20212194
[2]	杨家濠, 张傲岩, 夏长明, 邓志鹏, 刘建涛, 黄卓元, 康嘉健, 曾浩然, 蒋仁杰, 莫志峰, 侯峙云, 周桂耀. 窄带空芯反谐振光纤的制备及其模式转换应用研究. 物理学报, 2022, 71(13): 134207. doi: 10.7498/aps.70.20212194
[3]	丁子平, 廖健飞, 曾泽楷. 基于表面等离子体共振的新型超宽带微结构光纤传感器研究. 物理学报, 2021, 70(7): 074207. doi: 10.7498/aps.70.20201477
[4]	赵畅, 黄千千, 黄梓楠, 戴礼龙, SergeyevSergey, RozhinAleksey, 牟成博. 偏振动态可调耗散孤子光纤激光器实验研究. 物理学报, 2020, 69(18): 184218. doi: 10.7498/aps.69.20201305
[5]	应康, 桂有珍, 孙延光, 程楠, 熊晓锋, 王家亮, 杨飞, 蔡海文. 200 km沙漠链路高精度光纤时频传递关键技术研究. 物理学报, 2019, 68(6): 060602. doi: 10.7498/aps.68.20182000
[6]	丁伟, 汪滢莹, 高寿飞, 洪奕峰, 王璞. 高性能反谐振空芯光纤导光机理与实验制作研究进展. 物理学报, 2018, 67(12): 124201. doi: 10.7498/aps.67.20180724
[7]	饶云江. 长距离分布式光纤传感技术研究进展. 物理学报, 2017, 66(7): 074207. doi: 10.7498/aps.66.074207
[8]	肖亚玲, 刘艳格, 王志, 刘晓颀, 罗明明. 基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器的设计及实验研究. 物理学报, 2015, 64(20): 204207. doi: 10.7498/aps.64.204207
[9]	张利明, 周寿桓, 赵鸿, 张昆, 郝金坪, 张大勇, 朱辰, 李尧, 王雄飞, 张浩彬. 780W全光纤窄线宽光纤激光器. 物理学报, 2014, 63(13): 134205. doi: 10.7498/aps.63.134205
[10]	侯建平, 赵晨阳, 杨楠, 郝建苹, 赵建林. 微纳光纤端面反射特性的实验测量方法. 物理学报, 2013, 62(14): 144216. doi: 10.7498/aps.62.144216
[11]	方晓惠, 胡明列, 宋有建, 谢辰, 柴路, 王清月. 多芯光子晶体光纤锁模激光器. 物理学报, 2011, 60(6): 064208. doi: 10.7498/aps.60.064208
[12]	王静, 张晨芳, 康泽新, 孙将, 郑斯文, 林桢, 王春灿, 简水生. 多偏振控制高双折射光纤环形镜输出特性的理论和实验研究. 物理学报, 2011, 60(12): 124215. doi: 10.7498/aps.60.124215
[13]	乔学光, 丁锋, 贾振安, 傅海威, 营旭东, 周锐, 宋娟. 高精度准分布式光纤光栅地震检波解调系统的研究. 物理学报, 2011, 60(7): 074221. doi: 10.7498/aps.60.074221
[14]	王静, 郑凯, 李坚, 刘利松, 陈根祥, 简水生. 基于高双折射Sagnac环的可调环形腔掺铒光纤激光器理论与实验研究. 物理学报, 2009, 58(11): 7695-7701. doi: 10.7498/aps.58.7695
[15]	任广军, 魏臻, 姚建铨. 调Q脉冲保偏光纤激光器的研究. 物理学报, 2009, 58(2): 941-945. doi: 10.7498/aps.58.941
[16]	雷兵, 冯莹, 刘泽金. 利用全光纤耦合环实现三路光纤激光器的相位锁定. 物理学报, 2008, 57(10): 6419-6424. doi: 10.7498/aps.57.6419
[17]	王建明, 段开椋, 王屹山. 两光纤激光器相干合成的实验研究. 物理学报, 2008, 57(9): 5627-5631. doi: 10.7498/aps.57.5627
[18]	任广军, 张强, 王鹏, 姚建铨. 掺钕保偏光纤激光器的研究. 物理学报, 2007, 56(7): 3917-3923. doi: 10.7498/aps.56.3917
[19]	余寿绵, 余恬. 索末菲球面波公式的协变形式及其在光纤理论中的应用. 物理学报, 2001, 50(6): 1097-1102. doi: 10.7498/aps.50.1097
[20]	余寿绵, 余恬. 光纤中的电磁对偶变换与导波的模式分析. 物理学报, 2001, 50(11): 2179-2184. doi: 10.7498/aps.50.2179

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