谐振式光纤陀螺仪及窄线宽光纤激光器研究_陈玲.docx

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1、 论文题目： 谐振式光纤陀螺仪及窄线宽光纤激光器 研究 作者姓名： 旌 丝 入 学 时 间 2006 年 9 月 专业名称 _信号与信息处理 研究方向： 图像处理与分析 指导教师： 李丽君职 称 ： 副 教 授 论文提交日期 ： 2009 年 5 月 论文答辩日期 ： 2009 年 6 月 授予学位日期： RESEACH ON RESONATOR FIBER OPTIC GYROSCOPE AND NARROW-LINEWIDTH FIBER LASER A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the deg

2、ree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Chen Ling Supervisor: Associate Professor Li Lijun College of Information and Electrical Engineering May 2009 声 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的 文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于 -其它任何学术机关作鉴定。 AFFIRMATION I decla

3、re that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institut

4、e. 摘 要 谐振式光纤陀螺是一种基于 Sagnac 效应的高精度惯性传感器。它以光纤环形谐振腔 作 为核心敏感部件，把 Sagnac 效应反映到谐振频率的变化上，其检测精度高，动态范围 大， 所需要的光纤长度短，容易集成，特别适合用于通信及军事导航等领域。 窄线宽光纤激光器是作为一种特殊的光纤激光器，具有线宽窄、噪声低、抗电磁干 扰、 体积小等特点，在光纤传感、激光倍频、光谱测量等领域有广泛应用。 本论文通过理论分析和计算机模拟仿真相结合的方法，对谐振式光纤陀螺及窄线宽 光 纤激光器的工作原理、器件结构及特性进行了研究，提出了谐振式光纤陀螺的数字闭 环方 案和一种新型的窄线宽光纤激光器结构。

5、主要工作包括以下几个方面： .对谐振式光纤陀螺的谐振特性及谐振参数进行 Matlab 仿真，研究了谐振式光纤 陀螺 的测量原理；得出了谐振式光纤陀螺系统中测量精度与光纤长度、稱合损耗和稱合 系数间 存在一个最佳匹配条件的结论。 2. 提出了一种谐振式光纤陀螺的数字闭环方案。该结构具有全光纤化、易于实现和 性 能价格比高等特点。 3. 推导了激光器的斜率效率、栗浦阈值和激光输出功率的表达式，并进行了模拟仿 真， 得出在特定波长范围内窄线宽掺铒光纤激光器存在一个最短光纤长度的结论。 4. 提出种窄线宽光纤激光器结构。该结构采用 980nm 半导体激光器双向泵浦，利 用 光纤光栅法布里 -珀罗腔选频

6、和反馈调节相结合的方法，获得窄线宽激光输出。该激光 器具 有泵浦效率高、低噪声及稳定性好等特点。 关键词：谐振式光纤陀螺， Sagnac 效应，窄线宽，掺铒光纤激光器 ABSTRACT Resonator fiber optic gyroscope (R-FOG) is a kind of high precision inertial sensor based on Sagnac effect. It uses a fiber ring resonator as a core sensing part. It can reflect Sagnac effect to the shift of

7、 resonant frequency and has the characteristics of high precision, large measure range, smart structure and easily integrated. It is adapted to use in communication and military navigation. As a kind of special fiber optic laser， narrow line-width fiber laser (NLWFL) has the characteristics of narro

8、w linewidth, low noise, anti-electromagnetic disturb and smart structure, etc. It will be widely used in fiber sensing, laser frequency doubling, spectral measurement, and so on. In this thesis the work principle, component structure and characteristics of R-FOG and NLWFL are studied with theoretica

9、l analysis and computer simulation method. And a kind of digital closed-loop scheme of R-FOG and a new NLWFL structure are proposed. The main works includes the following aspects: 1. The resonant characteristics and parameters of R-FOG are simulated by Matlab. Measurement principle of R-FOG is studi

10、ed. The conclusion is obtained that there is an optimal matching condition between measure precision and fiber length, coupling loss, coupling coefficient 2. A kind of digital closed-loop scheme of R-FOG is proposed. It has the characteristics of all-fiber, easily realized and high cost performance.

11、 3. The expressions of laser slope efficiency, threshold pump and laser output power are deduced and simulated. The conclusion is obtained that there is an optimal fiber length in particular wavelength range. 4. A kind of NLWFL structure is proposed. This structure use double 980nm laser diodes as i

12、ts pump sources. Narrow line width laser is obtained by using fiber Bragg grating F-P frequency selection and feedback modulation method. This laser has the characteristics of high pump efficiency, low noise and better stability, etc. Keywords: resonator fiber optic gyroscope, Sagnac effect, narrow

13、line-width, Erbium-doped fiber laser 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 ItPs. 1 1.2 光纤陀螺的分类 . 3 1.3 光纤激光器的几种结构 . 4 1.4 研究谐振式光线陀螺仪与窄线宽光纤激光器的目的及意义 . 5 1.5 本文的结构安排 . 6 2 光 纤 陀 螺 的 基 本 原 理 . 8 2.1 Sagnac(赛格奈克 )效应 . 8 2.2 谐振式光纤陀螺的基本原理 . 9 2.3 谐振式光纤陀螺仪检测实现方法 . 13 2.4 本章小结 . 16 3 光纤陀螺的谐振特性仿真分析及系统设计 . 17 3.1 R-FOG 谐振特性分析 .

14、17 3.2 谐振式光纤陀螺仪系统方案设计研究 . 22 3.3 本章小结 . 26 4 27 4.1 窄线宽激光器的线宽测量方法 . 27 4.2 掺铒窄线宽光线激光器的性能分析 . 31 4.3 窄线宽光纤激光器的选频方法 . 36 4.4 窄线宽光线激光器的典型方案 . 38 4.5 本章小结 . 42 5 窄线宽光纤激光器特性仿真分析及系统设计研究 . 43 5.1 掺铒窄线宽光纤激光器特性仿真分析 . 43 5.2 掺铒窄线宽光线激光器结构 . 45 5.3 工艺关键技术分析 . 49 5.4 本章小结 . 50 6 总结与展望 . 52 6.1 全文总结 . 52 6.2 研究展望

15、 . 53 獅 . 54 攻读硕士期间所发表的论文 . 55 参考文献 . 56 Contents 1 Introduction . 1 1.1 Preface . 1 1.2 The sort of fiber optic gyroscope(FOG) . 3 1.3 The structure of fiber laser . 4 1.4 The meaning of this subject . 5 1.5 The structure arrangement of this aritcle . 7 2 The theory of FOG . 8 2.1 Sagnac effect . 8

16、 2.2 The principle of R-FOG . 9 2.3. The throry of R-FOG scheme . 13 2.4 Summary . 16 3 Resonance characteristic analysis and system design about R-FOG . 17 3.1 The numerical analysis of resonance characteristic . 17 3.2 The design of R-FOG system . 22 3.4 Summary . 26 4 The theory of narrow-linewid

17、th fiber laser . 27 4.1 The measure of narrow linewith in laser . 27 4.2 The analysis of Erbium doped narrow-linewidth fiber laser . 31 4.3 The method of frequency selection about narrow-linewidth fiber laser . 36 4.4 The comparation of narrow-linewidth fiber laser scheme . 38 4.5 Summary . 42 5 Cha

18、racteristic analysis and design of narrow linewidth, Erbium doped fiber laser .43 5.1 The numerical analysis of characteristic . 43 5.2 The structure of narrow-linewidth, Erbium-doped fiber laser . 45 5.4 Technical analysis of key technology in technics . 49 5.5 Summary . 50 6 Conclusions and resear

19、ch prospect . 52 6.1 Conclusions . 52 6.2 Research prospect . 53 Acknowledge . 54 Papers announced while persuing master degree . 55 References . 56 1 绪论 1.1 mm 1.1.1 光纤陀螺的国内外发展状况 陀螺仪是一种用来感测与维持方向的装置，多用于导航、定位等系统，在军事和国 民 经 济 的 发 展 中 发 挥 着 重 要 作用 1。 传 统 的 机 械 式 陀 螺 可 靠 性 较 差 、 误 差 偏 大 ， 致 使 设 备 提 供 的位

20、置 信 息 的 可 信 度 不高 2。 光 电 技 术 尤 其 是 激 光 技 术 的 出 现 和 发 展 突 破 了 传 统 结 构 的 限 制 ， 尤其 是 光 纤陀 螺 的 出 现， 以 其 优 异的 性 能 受 到惯 性 技 术 领域 广 大 科 技人 员 的 关 注 。 从 1976 年 首次 提 出 光 纤 陀 螺 的 概 念 以 后 3， 二 十 多 年 来 ， 光 纤 陀 螺 得 到 了 很 大 的 发 展 ， 角 速 度 测 量 精 度 从最 初 的 几 十 倍 的 地 球 自 转 速 率 到 现 在 的 小 于 0.0001 /h，提 高 了 56 个 数 量 级 。 美

21、国 国 防 部 在 90 年 代 初 期 预 测 ， 光 纤 陀 螺 精 度 在 1996 年 达 到 . 1 /； 4， 2001 年 达 到 0.001%, 2006 年达到 . 01/ h，以全面取代机械陀螺仪和激光陀螺仪，然而在 1996 年 美国霍尼韦尔 (Honeywell)公司就已经公布了精度为 0.00038/ h 的光纤陀螺，提前 五年完成 预定指标，这足以证明光纤陀螺的发展之迅速。 先 前 ， 美 国 军 备 部 门 看 到 了 光 纤 陀 螺 在 军 事 应 用 上 的 巨 大 潜 力 ， 投 入 大 量 人 力 、 物 力 、 财 力 进 行 研 究 开 发 5。 近

22、年 来 ， 随 着 光 纤 陀 螺 性 能 上 的 提 高 ， 光 纤 陀 螺 也 引 起了 美 国 工 业 界 的浓 厚 兴趣，比 如 说麦克唐 纳 道格 拉 斯公司正 研 制的具有 宽 的温度范 围 和 能 经受 强 冲击 的 元 件 ；己 经 研 制 成 功 的 对 机 器 人 手 臂 、 自 动 制 造 系 统 、 自 动 导 航 系 统 、 飞 行 控 制 系 统 ， 弹 射 座 椅 等 关键 部 位 的 反 馈 和 控 制 等 应 用 项 目 ； 已 经 编 制 出 来 的 ， 用 来 提 高 光 纤 陀 螺 设 计 水 平 的 操 作 程 序 等6。 西 欧 国 家 诸 如 法

23、国 、 联 邦 德 国 、 英 国 、 意 大 利 等 国 家 也 都 非 常 重 视 开 发 光 纤 陀 螺 在 军 事上 的 应 用 67。 法 国 汤 姆 逊 CSF 公 司 、 英 宇 航 公 司 的 史 蒂 文 纳 奇 公 司 、 德 国 的 SEI 公 司 都 己 成功 开 发 出 光 纤 陀 螺 产 品 ， 并 己 在 战 术 导 弹 系 统 和 舰 船 导 航 等 方 面 得 到 应用 。 日 本 尽 管 非 常 注 重推 广 光 纤 传 感 器 在 工 业 上 的 应 用 ， 但 对 光 纤 陀 螺 的 研 究 开 发 也 并 没 有 掉 以 轻 心 。 日 本 是 紧 随

24、美 国 开 展 光 纤 陀 螺 研 究 和 应 用 的 国 家 ， 其 主 要 的 研 究 机 构 有 东 京 大 端 技 术 室 和日 立 、 住 友 电 工 、 三 菱 、 日 本 航 空 电 子 工 业 (JAE)等 公司 7。 这 些 公 司 在 干 涉 型 光 纤 陀 螺 的 实 用化 ， 特 别 是 中 、 低 精 度 光 纤 陀 螺 的 实 用 化 方 面 走 在 世 界 的 前 列 。 目 前 曰 本 航 空 电 子 工 业公司生产的干涉型光纤陀螺在商业领域己经得到较为广泛的应用，例如：应用于遥控直升机、 足球场割草机、火车定位检测系统和超市清洁机器人。 在 国 内 ， 光 纤

25、 陀 螺 的 研 究 起 步 较 晚 ， 集 成 光 学 技 术 和 保 偏 光 纤 技 术 相 对落后 ， 直 到 1987 年 起 光 纤 陀 螺 的 研 制才 被 列 入 重 点 发展 计 划 之中 6。 目 前 ， 国 内 光 纤 陀螺 的 研 制 水 平 己 接 近惯性 导 航系统的中、 低 精度要求。并且 即 将走向实用化 ， 导航级高精度 光 纤 陀 螺的研 制 才刚刚 起 步，还需经过 自 己的艰苦努力才 有 望在不久的将 来 研制出高精度 光 纤 陀螺。 光 纤 陀 螺 产品 1112有 FOG200、 600、 1000、 2500 等 系 列 ， 分 为 导航类 、 战

26、术 类 、 民 用 航空 类 和 太空类， 应 用在陆地、海洋 、 太空等领域，精 度 为 l /h-0.001 /h,既有 单 轴结构， 也 有 双 轴 、 三 轴 结 构 。 1.1.2 光纤激光器的国内外发展现状 20 世 纪 60 年 代 初 期 ， Snitzer 首 先 提 出 将 光 纤结 构 应 用 于 激 光和 放 大 器 的 思 想 8， 随 后 Koester 和 Snitzer 将 长 lm 的 掺 杂 光 纤缠 绕 在 闪 光灯 上 ， 在 1060mn 波 长 处 观 察到 了 47dB 的 增 益 放 大。 20 世 纪 70 年 代 ， 在 光 纤 制 备 技 术 以 及 光 纤 激光 器 的 泵 浦 与 谐 振 腔 结 构 的 探 索 方 面