DFB光纤激光器声致弯曲振动研究

　　本文对利用DFB(分布反馈式)光纤激光器进行水声探测时的弯曲振动问题进行了分析与实验研究。总结了采用非平衡干涉仪解调系统解调的DFB光纤激光水听器的声压灵敏度计算公式；基于梁的弯曲理论，通过数值方法计算了两端固定的DFB光纤激光器在50Hz~2000Hz频率范围内的声压灵敏度，绘制了该频率范围内的频响曲线；采用振动液柱法对一支DFB光纤激光器在该频率范围内进行了实验研究，实验数据具有良好的可重复性，实验结果与理论分析吻合。表明了细长型结构的DFB光纤激光器在水声场中很容易由于弯曲振动而引入较大的非声压振动的干扰信号，影响其水声探测性能，有必要在DFB光纤激光水听器探头的设计中考虑这一因素。

　　1引言

　　DFB光纤激光水听器技术近年来在水声探测领域得到了迅速发展。在应用上它具有两个重要的优点：一是传感信息直接由波长编码，不会受到总的光强变化、光纤连接和耦合的损失以及光源功率变化的影响，因而传输信号不易受到干扰；另外由于光纤光栅传感具有波长编码的特性，因此能方便地利用WDM(波分复用)技术在同一根光纤中串接多个水听器进行分布式测量，从而实现全光纤探测和传输，使得水听器阵列的重量和尺寸大大减少。因此，DFB光纤激光水听器的出现，为光纤水听器的研究提供了另一个可供选择的方案。

　　DFB光纤激光水听器的灵敏度需要达到探测10-4Pa量级水声压力的能力，目前所采用的干涉型解调技术能够达到这一要求。DFB光纤激光器与非平衡干涉仪相结合，使得水听器的灵敏度得到了大大提高。但在大幅提高水听器灵敏度的同时，DFB光纤激光器对于外界非声压振动信号的干扰也变得更加敏感，由于现有的DFB光纤激光器长度通常为50mm，而直径通常只有100μm～200μm，这样一种细长型结构具有较高的轴向刚度，而抗弯曲能力非常差，极小的横向作用力就可能引起激光器较大的弯曲。

　　1998年S.W.Lovseth等人指出，利用DFB光纤激光器作为空气中的声传感器时，声波中的压力梯度将引起对光纤的横向力，而使光纤产生了轴向的应变；1999年D.J.Hill等人发现将DFB光纤激光器作为水声传感器时，其频率响应曲线在测量频带内的变化幅度超过±10dB，而有关的原因尚有待于进一步的研究；2003年A.Tikhomirov等人第一次提出由于入射声波引起的光纤弯曲是DFB光纤激光器引入干扰的主要的响应机制，并利用空气中的实验对其理论进行了验证。可见光纤的弯曲振动将引起水听器对于非声压振动的高灵敏度，在声纳应用中是不希望出现这种现象的。