一种有源型光纤水听器原理与实验分析

　　1 引言

　　目前光纤水听器使用光纤绕制的干涉仪作为水声传感单元[1,2],为了达到灵敏度要求,它的传感臂光纤长度一般达到百米以上,其体积与压电型水听器的相比没有明显的优势。而且光纤水听器中的传感单元为无源的,光纤干涉仪只作为水声探测元件和光传输的介质,不具备本征的波长可复用性,使用波分复用技术组成阵列时需使用不同波长的激光作为光源[3],技术实现复杂,系统体积较大。分布式反馈光纤激光器作为水声传感单元其直径即为光纤的外径,体积较小,且可利用激光器的本征可复用特性,减小了光纤水听器阵列系统的体积,因此基于分布式反馈(DFB)光纤激光器的有源型光纤水听器在需要小尺寸、高灵敏度水听器的领域有广泛的应用潜力[4~6]。

　　本文分析了一种基于分布式反馈光纤激光器的有源型光纤水听器的水声传感原理,并进行了水声探测实验。

　　2 分布式反馈光纤激光器水声传感原理

　　分布式反馈光纤激光器的结构如图1所示,在掺铒光纤中写入一段光纤光栅,利用光栅对激光的分布反馈构成激光谐振腔,在抽运光的作用下满足激射条件即发出激光。当光栅中引入P相移时,DFB光纤激光器在光栅的中心波长处能够实现稳定的单纵模激光输出[4~6],即P相移DFB光纤激光器的运行波长为

　　式中+为光栅周期,ne为纤芯的有效折射率。

　　由(1)式可知,掺铒光纤芯区有效折射率的变化或光栅周期的变化都将导致P相移DFB光纤激光器运行波长的变化,当光纤激光器受到外界压力作用时,压力产生的应变将改变光纤的有效折射率和光栅的周期,此时DFB光纤激光器运行波长的变化量可由下式确定[7]:

　　式中,P11和P12均为光弹系数,Ez、Er分别为光纤轴向和径向应变,在均匀水声压力作用下[8],

　　E,T分别为石英晶体的杨氏模量和泊松比,E=712x10¹⁰Pa,T=0.17。由(3)式计算得出声压应变灵敏度为Ez=-9.17x10^-12stain/pa。

　　将(3)式代入(2)式化简得

　　已知光栅有效折射率系数ne和周期+分别为1.456和528.8nm,激光工作波长K为1540nm。光弹系数P11和P12分别取值0.121、0.265。使用(4)式计算得出均匀水声压力作用下声压引起的波长位移量为-4.38x10^-9nm/Pa。

　　从分析中可见, DFB光纤激光器应用于水声探测,其传感单元即为一段掺铒的有源光纤,且其出射激光波长的位移正比于外界声压的变化,因此只要检测出波长的位移量就可得出外界声压变化的大小。目前有很多检测波长位移的方法,其中干涉法可高灵敏地检测出波长的动态位移[9]。