摘要
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）作为一种广泛应用的传感结构，以其灵敏度高、电磁兼容性强和易复用等特性在传感领域的多个方面上展现出了显著的优势。另外它能够测量温度、振动以及应变等多种物理参量，为不同领域的检测，提供了精确且可靠的测量手段。光纤激光器（Fiber Laser）以其高增益、结构简单以及插入损耗低等优势，在光纤传感、仪器测试、微波光子学和精密光谱学等众多领域中都得到了广泛应用。而光纤激光传感器实现了激光输出与传感功能的完美融合，不仅继承了光纤传感器灵敏度高、抗电磁干扰能力强以及复用性强等优势，而且兼具了光纤激光器高信噪比和窄线宽的卓越特性。因此，它在测量温度、勘探地质，以及预报地震等多个领域上都得到了大量的关注。本课题旨在深入探索光纤激光技术与光纤光栅传感的结合，对基于光纤光栅的光纤激光传感技术展开系统研究，以期为该领域的发展提供新的思路和方法。 本文对基于光纤光栅的光纤激光传感技术进行总结和分析，并且进行了基于游标效应的光纤激光温度传感器的设计、仿真以及实验研究，主要工作内容如下： （1）介绍了光纤激光传感技术的研究背景以及光纤激光器和光纤激光传感技术的研究现状，对单一传感结构的光纤激光传感器和基于双传感结构的光纤激光传感器进行分析对比。在此基础上，对掺铒光纤激光器进行理论分析，包括掺铒光纤的能级结构和激光的产生机理。对光纤光栅的传感原理和基于游标效应的传感原理进行介绍。 （2）将游标效应的原理应用于光纤激光传感中，设计了一种基于级联光纤光栅阵列的光纤激光温度传感系统。使用光学仿真软件进行相关的仿真实验，分为三部分。第一部分是在宽带光源下进行基于单一光纤光栅阵列和基于级联光纤光栅阵列的光纤温度传感器的仿真，设置不同温度，观察输出光谱波长的偏移情况，计算出两种结构下的温度灵敏度，其中单一光纤光栅阵列的光纤传感系统的温度灵敏度为0.018 nm/℃，而级联光纤光栅阵列的光纤传感系统的温度传感灵敏度为0.102 nm/℃，通过对比可以看出游标效应将温度灵敏度放大了5.6倍。第二部分是对光纤激光器的输出功率的仿真分析，找到光纤激光器各个参数的最佳值。第三部分是对基于光纤光栅阵列级联的光纤激光温度传感系统的仿真，设置不同温度，观察输出光谱峰值波长的偏移情况，计算出该光纤激光传感系统的温度灵敏度为0.083 nm/℃。 （3）根据光纤光栅阵列级联的光纤激光温度传感系统的仿真实验，进行光纤激光温度传感系统的方案设计，搭建了基于单一光纤光栅阵列的光纤激光温度传感系统，在不同温度下，通过光谱仪观测输出光谱峰值波长的偏移量，计算出该传感器的温度灵敏度为0.02 nm/℃。而在光纤光栅阵列级联的光纤激光温度传感系统中，在不同温度下，观测输出光谱峰值波长的偏移量，计算出该传感器的温度灵敏度为0.09 nm/℃。对两种结构的光纤激光温度传感系统进行分析对比。最后搭建级联Sagnac环的多波长光纤激光温度传感系统，在不同温度下，观测包络图中特定位置波长的偏移量，计算出该传感器的温度灵敏度为10.19 nm/℃。
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