谐振式光纤陀螺仪及窄线宽光纤激光器研究.杨大禹1.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肇事 者需山 东 科 技 人 学 硕 丨 :学 位 论 文 摘要摘 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
2、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。主要工作包括以下几个方面:1. 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、稱合损耗和耦合 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
3、效率、泵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摻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。该结构釆用 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V山 东 料 技 人 学 W 丨 学 位 论 i 摘要ABSTRACTResonator fiber optic gyroscope (R-FOG) is a kind of high prec
4、ision 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 resonant frequency and has the characteristics of high precision, large measure range, smart structure and easily integrated. It is adapted to use in comm
5、unication and military navigation. As a kind of special fiber optic laser, narrow line-width fiber laser (NLWFL) has the characteristics of narrow linewidth, low noise, anti-electromagnetic disturb and smart structure, etc. It will be widely used in fiber sensing, laser frequency doubling, spectral
6、measurement, andso on.In this thesis the work principle, component structure and characteristics of R-FOG and NLWFL are studied with theoretical 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
7、the following aspects:1.The resonant characteristics and parameters of R-FOG are simulated by Matlab. Measurement principle of R-FOG is studied. The conclusion is obtained that there is an optimal matching condition between measure precision and fiber length, coupling loss, coupling coefficient.2.A
8、kind of digital closed-loop scheme of R-FOG is proposed. It has the characteristics of all-fiber, easily realized and high cost performance.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 optim
9、al fiber length in particular wavelength range.4.A kind of NLWFL structure is proposed. This structure use double 980nm laser diodes as its 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 charac
10、teristics of high pump efficiency, low noise and better stability, etc.Keywords: resonator fiber optic gyroscope, Sagnac effect, narrow line-width, Erbium-doped fiber laser山 东 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目录目 录1 胃 .1u 前言 .11.2 光纤陀螺的分类 .31.3 光纤激光器的几种结构 .41.4 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 .51.5 本文的结构安排 .62 光纤陀螺的基本
11、原理 .82.1 Sagnac(赛格奈克 )效应 .82.2 谐振式光纤陀螺的基本原理 .92.3 谐振式光纤陀螺仪检测实现方法 .132.4 本章小结 .163 光纤陀螺的谐振特性仿真分析及系统设计 .173.1R-F0G 谐振特性分析 .173.2 谐振式光纤陀螺仪系统方案设计研究 .223,3 本章小结 .264 窄线宽光纤激光器的基本原理 .274.1 窄线宽激光器的线宽测量方法 .274.2 掺铒窄线宽光线激光器的性能分析 .314.3 窄线宽光纤激光器的选频方法 .364.4 窄线宽光线激光器的典型方案 .384.5 本章小结 .425 窄线宽光纤激光器特性仿真分析及系统设计研究
12、.435.1 掺铒窄线宽光纤激光器特性仿真分析 .435.2 掺铒窄线宽光线激光器结构 .455.3 工艺关键技术分析 .495.4 本章小结. 50山 东 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 SM6 总 结 与 展 望 .526.1 全文总结 .5262 研究展望 .53致谢 .54攻读硕士期间所发表的论文 .55参考文献 .56山 东 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 绪论1 绪论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
13、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 O.OOOlVh,提高了 56 个数量级。美国国防部在 90 年代初期预测,光纤陀螺精度在 1996 年达到 0.01/A4, 2001
14、年达 到 af/h , 2006 年 达 到 0.00()l/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
15、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,并已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山
16、 东 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 绪论术室和日立、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。目前日本 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
17、 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 11121 有 FOG200、600、1000、2500 等 系 列 , 分 为 导 航 类 、 战 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 lG/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
18、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 1060nm 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 构的探索方面取得了较大进展 91(), Bell 实 验 室 也 开 展 了 光 纤 激 光 器 的 研 究 工 作 。 低 损 耗 的 硅 光 纤 出 现 不 久 , 就 被 用 于 制 作 二 极 管 激 光 器 泵 浦 的光纤激光器。70_80 年代中期, 许多发展光纤激光器所必需的
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