DFB光纤激光器声致弯曲振动研究

　　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[1，2]。

　　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[1]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[3]。

　　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[4];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[2]，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[5]。 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。

　　作为 DFB 光纤激光水听器的敏感元件，DFB光纤激光器对其传感特性具有极其重要的影响，因此对激光器在弯曲条件下的动态特性进行研究很有必要，对于 DFB 光纤激光水听器的实用化研究，解决其抗干扰问题， 以及指导 DFB 光纤激光水听器探头的设计都具有非常重要的意义。

　　考虑到光纤通常由熔融石英拉制而成，材料坚硬，其弹性恢复力主要由本身的劲度提供，弯曲时具有梁的特性;而且激光器在应用中通常需要对其两端进行固定。 因此本文基于梁的理论对两端固定的 DFB 光纤激光器的动态特性进行了分析。

　　2 DFB 光纤激光水听器的声压灵敏度

　　DFB 光纤激光水听器利用 DFB 光纤激光器作为敏感元件。 将 DFB 光纤激光水听器放置在声场中时，声压将引起激光腔的应变，从而使激光器输出波长 λFL发生变化。 将这个变化检测出来，就可以测定激光腔的受激励程度， 从而解调出声压信号。该输出波长是由谐振腔内相移光栅的布喇格波长决定的，即 λFL=λB[6]。 布喇格反射波长满足如下光学方程[7]"