在干涉型光纤传感系统中, 光源的噪声往往成为整个系统性能的限制因素, 光源的噪声主要由强度噪声和相位噪声组成。降低光源的强度噪声和相位噪声无疑是提高系统性能的重要方法。下面我们就激光器的这两种噪声做了分析。
1 光源强度噪声及抑制方法
激光器输出强度的起伏表现为光强度噪声, 而相位起伏表现为光相位噪声。激光器的输出光强度起伏是由自发辐射引起的, 当激光受到某些调制时, 自发辐射的强度就会发生变化, 从而产生了强度噪声。所以激光器源输出光含有强度噪声是不可避免的, 我们只用尽量降低光源的强度噪声, 激光器强度噪声的定义为:
这里为激光器输出光功率起伏均方谱密度, 为激光器平均输出光功率。激光器的输出激光的强度噪声主要是来自激光器的抽运噪声, 在抽运时产生了激光器固有的驰豫振荡, 尤其在光纤激光器的低频范围内由驰豫振荡产生的低频噪声更为明显。光纤激光器在光纤传感领域中的广泛应用, 迫切要求降低光纤激光器由驰豫振荡产生的低频噪声。下面我们就驰豫振荡产生过程加以分析, 驰豫振荡是由激光器内部的反转集居密度与谐振腔内光子密度之间的一种相互藕合的一个动态过程, 其作用过程如图1所示。驰豫振荡产生机理可以分为四个阶段:第一阶段:泵浦激励使反转集居密度增加。达到阈值时开始产生激光, 泵浦激励增加的速率超过受激跃迁使减少的速率, 所以呈上升趋势。第二阶段:随光子密度增加, 受激跃迁使减少的速率不断增加。当泵浦激励增加的速率和受激跃迁使减少的速率相等之后, 反转集居密度开始减小, 但因大于阈值, 腔内光子数密度仍继续增加。第三阶段:腔内光子数密度达到最大值, 仍大于0, 受因增益小于损耗, 激跃迁继续使减小, 从这时振荡就开始了。因增益小于损耗, 也开始急剧减小。第四阶段:一方面小于阈值, 迅速减小到很小值。另一方面泵浦产生的又一次增大, 至时刻, 到达阈值, 重复前过程又开始新一次的尖峰。在抽运源激励的时间内, 上述的四个过程反复进行, 形成驰豫振荡。随着激光器的稳定运行, 其振荡的强度和频率均会达到一个稳定的状态。通过实验室对光纤激光器的研究发现, 利用光电负反馈实现对激光器驰豫振荡噪声的抑制, 其试验结构框图如图2所示。光纤激光器的输出激光经5:95的输出祸合器分成两路, 其中5%的光经光电探测器PD接收转换为电信号, 再经PID电路处理后反馈到泵浦激光器的驱动电路中, 通过调节驱动电路的输出电流, 从而起到抑制光源强度噪声的效果。在使用齐格勒一尼柯尔斯调整法调整光电负反馈PID电路的参数, 可以很好降低驰豫振荡的强度或者改变频率, 从而能够更好地抑制光纤激光器的强度噪声。光纤激光器弛豫振荡峰频率明显向后移动, 而且其峰值有很大幅度的下降。通过光电负反馈驱动泵浦激光器能够很好地抑制光源的强度噪声, 光纤激光器的本底噪声有了很大的降低。
2 光源相位噪声分析及抑制办法
由于自发发射光子相位的随机性, 导致光源输出光的心率波动而产生激光相位噪声。这种波动经干涉仪就会转化为相位噪声, 而且相位噪声会随着光纤干涉仪传感系统中光程差的增大而随之变大。在干涉测量系统中, 我们就是通过将振动信号转化为传输光相位的变化, 进而进行解调的。但是没有规律的相位变化产生的相位噪声限制了测量的最小相位, 同时也是影响信号接收灵敏度的重要因素。由公式1强度噪声所贡献的等效相位噪声可以表示为:
光源的相位噪声对传感器探测影响很大, 所以, 通常采用高单频窄线宽激光器作为光纤传感器的光源, 从而可以大大降低相位噪声。本文中所采用的光源是实验室自行研制的根据实验室以低噪声单频窄线宽保偏光纤激光器作为光源, 该激光器输出激光线宽小于IKHZ, 其相干长度可以达到60km, 具有良好的相干特性, 在光纤干涉测振系统的光程差远小于光源的相干长度, 可以大大降低相位噪声对光纤干涉仪探测系统的影响。因此, 在光纤干涉仪测振系统中使用相干长度较大, 即相干特性较好的激光器可以很好的抑制系统的相位噪声。
摘要：随着现代科技的发展, 传感器在人们的生产生活中的作用也愈来愈大, 光纤传感器由于其抗电磁千扰、耐腐蚀、体积小、质量轻等优点, 日益受到人们的重视。尤其是自发明以来应用的领域不断扩大并在新的领域内表现出极大的潜力。本文就围绕干涉型光纤振动传感系统中的光源的噪声分析及抑制做了一些阐述。
关键词：光纤传感器,噪声,分析,抑制