摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳感器在人們的生產(chǎn)生活中的作用也愈來愈大，光纖傳感器由于其抗電磁千擾、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的重視。尤其是自發(fā)明以來應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大并在新的領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出極大的潛力。本文就圍繞干涉型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中的光源的噪聲分析及抑制做了一些闡述。
　　關(guān)鍵詞：光纖傳感器 噪聲 分析 抑制
　　中圖分類號(hào)： TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　在干涉型光纖傳感系統(tǒng)中，光源的噪聲往往成為整個(gè)系統(tǒng)性能的限制因素，光源的噪聲主要由強(qiáng)度噪聲和相位噪聲組成。降低光源的強(qiáng)度噪聲和相位噪聲無疑是提高系統(tǒng)性能的重要方法。下面我們就激光器的這兩種噪聲做了分析。
　　1 光源強(qiáng)度噪聲及抑制方法
　　激光器輸出強(qiáng)度的起伏表現(xiàn)為光強(qiáng)度噪聲，而相位起伏表現(xiàn)為光相位噪聲。激光器的輸出光強(qiáng)度起伏是由自發(fā)輻射引起的，當(dāng)激光受到某些調(diào)制時(shí)，自發(fā)輻射的強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了強(qiáng)度噪聲。所以激光器源輸出光含有強(qiáng)度噪聲是不可避免的，我們只用盡量降低光源的強(qiáng)度噪聲，激光器強(qiáng)度噪聲的定義為： 公式1
　　這里為激光器輸出光功率起伏均方譜密度，為激光器平均輸出光功率。激光器的輸出激光的強(qiáng)度噪聲主要是來自激光器的抽運(yùn)噪聲，在抽運(yùn)時(shí)產(chǎn)生了激光器固有的馳豫振蕩，尤其在光纖激光器的低頻范圍內(nèi)由馳豫振蕩產(chǎn)生的低頻噪聲更為明顯。光纖激光器在光纖傳感領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，迫切要求降低光纖激光器由馳豫振蕩產(chǎn)生的低頻噪聲。下面我們就馳豫振蕩產(chǎn)生過程加以分析，馳豫振蕩是由激光器內(nèi)部的反轉(zhuǎn)集居密度與諧振腔內(nèi)光子密度之間的一種相互藕合的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其作用過程如圖1所示。馳豫振蕩產(chǎn)生機(jī)理可以分為四個(gè)階段:第一階段:泵浦激勵(lì)使反轉(zhuǎn)集居密度增加。達(dá)到閾值時(shí)開始產(chǎn)生激光，泵浦激勵(lì)增加的速率超過受激躍遷使減少的速率，所以呈上升趨勢(shì)。第二階段:隨光子密度增加，受激躍遷使減少的速率不斷增加。當(dāng)泵浦激勵(lì)增加的速率和受激躍遷使減少的速率相等之后，反轉(zhuǎn)集居密度開始減小、，但因大于閾值，腔內(nèi)光子數(shù)密度仍繼續(xù)增加。第三階段:腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值，仍大于0，受因增益小于損耗，激躍遷繼續(xù)使減小，從這時(shí)振蕩就開始了。因增益小于損耗，也開始急劇減小。第四階段:一方面小于閾值，迅速減小到很小值。另一方面泵浦產(chǎn)生的又一次增大，至?xí)r刻，到達(dá)閾值，重復(fù)前過程又開始新一次的尖峰。在抽運(yùn)源激勵(lì)的時(shí)間內(nèi)，上述的四個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，形成馳豫振蕩。隨著激光器的穩(wěn)定運(yùn)行，其振蕩的強(qiáng)度和頻率均會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)光纖激光器的研究發(fā)現(xiàn)，利用光電負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器馳豫振蕩噪聲的抑制，其試驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。光纖激光器的輸出激光經(jīng)5:95的輸出禍合器分成兩路，其中5%的光經(jīng)光電探測(cè)器PD接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)PID電路處理后反饋到泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電路中，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流，從而起到抑制光源強(qiáng)度噪聲的效果。在使用齊格勒一尼柯爾斯調(diào)整法調(diào)整光電負(fù)反饋PID電路的參數(shù)，可以很好降低馳豫振蕩的強(qiáng)度或者改變頻率，從而能夠更好地抑制光纖激光器的強(qiáng)度噪聲。光纖激光器弛豫振蕩峰頻率明顯向后移動(dòng)，而且其峰值有很大幅度的下降。通過光電負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)泵浦激光器能夠很好地抑制光源的強(qiáng)度噪聲，光纖激光器的本底噪聲有了很大的降低。
　　
　　
　　2 光源相位噪聲分析及抑制辦法
　　由于自發(fā)發(fā)射光子相位的隨機(jī)性，導(dǎo)致光源輸出光的心率波動(dòng)而產(chǎn)生激光相位噪聲。這種波動(dòng)經(jīng)干涉儀就會(huì)轉(zhuǎn)化為相位噪聲，而且相位噪聲會(huì)隨著光纖干涉儀傳感系統(tǒng)中光程差的增大而隨之變大。在干涉測(cè)量系統(tǒng)中，我們就是通過將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳輸光相位的變化，進(jìn)而進(jìn)行解調(diào)的。但是沒有規(guī)律的相位變化產(chǎn)生的相位噪聲限制了測(cè)量的最小相位，同時(shí)也是影響信號(hào)接收靈敏度的重要因素。由公式1強(qiáng)度噪聲所貢獻(xiàn)的等效相位噪聲可以表示為:
　　公式2
　　光源的相位噪聲對(duì)傳感器探測(cè)影響很大，所以，通常采用高單頻窄線寬激光器作為光纖傳感器的光源，從而可以大大降低相位噪聲。本文中所采用的光源是實(shí)驗(yàn)室自行研制的根據(jù)實(shí)驗(yàn)室以低噪聲單頻窄線寬保偏光纖激光器作為光源，該激光器輸出激光線寬小于IKHZ，其相干長度可以達(dá)到60km，具有良好的相干特性，在光纖干涉測(cè)振系統(tǒng)的光程差遠(yuǎn)小于光源的相干長度，可以大大降低相位噪聲對(duì)光纖干涉儀探測(cè)系統(tǒng)的影響。因此，在光纖干涉儀測(cè)振系統(tǒng)中使用相干長度較大，即相干特性較好的激光器可以很好的抑制系統(tǒng)的相位噪聲。