### 极化多纵模光纤激光器用于同时测量应变与温度
#### 摘要与背景
本文提出了一种采用极化多纵模光纤激光传感器及拍频解调装置来实现应变与温度的同时测量的新方法。所设计的光纤激光器通过两个光纤布拉格光栅（FBG）和一段掺铒光纤构成，分别作为腔反射器和增益介质。由于光纤固有的双折射特性，激光器内部产生了两种正交偏振模式的光分裂现象，进而形成多个纵模拍频信号以及偏振模式拍频信号。这两种拍频信号对于应变和温度有不同的响应特性，因此可以通过监测这些信号频率的变化来实现对两者的同时测量。此外，还探讨了如何选择合适的拍频信号对来提高激光器的灵敏度，并进行了实验验证。
#### 工作原理与结构分析
**工作原理**
- **光纤布拉格光栅（FBG）**：在激光器腔内起着反射镜的作用，能够实现光的反馈，是形成激光模式的基础。
- **掺铒光纤（EDF）**：作为激光器的增益介质，在泵浦光的作用下放大光信号，为激光器提供必要的能量。
- **双折射特性**：由于光纤本身的非均匀性导致了光在不同偏振态下的传播速度不同，形成了两种正交的偏振模式。
- **拍频信号**：当两个或多个频率相近的光波叠加时，会产生一个低频的拍频信号。在这个系统中，这些拍频信号由纵模拍频信号和偏振模式拍频信号组成。
**结构分析**
该激光器结构简单，主要由两部分组成：
1. **激光器主体**：包括两个FBG和一段EDF。两个FBG分别位于激光器两端，起到反射器的作用，形成光学谐振腔；EDF位于两个FBG之间，提供增益。
2. **拍频解调装置**：用于解调由应变和温度变化引起的拍频信号的变化，从而实现对这两个物理量的测量。
#### 应变与温度测量
应变和温度变化会导致光纤布拉格光栅的中心波长发生变化，这种变化进一步影响激光器的输出光谱。具体来说：
- **应变测量**：应变作用于光纤上时，会使FBG的中心波长发生变化，进而引起纵模拍频信号频率的变化。通过监测这些变化可以推断出应变的大小。
- **温度测量**：温度变化同样会影响FBG的中心波长，但由于温度对两种偏振模式的影响不同，它会引起偏振模式拍频信号的变化。因此，通过监控这些信号可以实现温度的测量。
#### 灵敏度提高
为了提高激光器的灵敏度，研究人员分析了不同的拍频信号对，并选择了最适合作为监测对象的信号对。这种选择基于对不同拍频信号对温度和应变响应特性的深入理解。
#### 实验验证与性能评估
文中还详细描述了实验设置，并给出了实验结果。结果显示，该传感系统的重复性和稳定性表现良好，证明了其在实际应用中的潜力。此外，与传统的基于昂贵光谱检测设备的系统相比，本方案具有结构简单、便携性强、成本低廉等显著优势。
#### 结论
本文提出的极化多纵模光纤激光传感器是一种新颖而有效的工具，能够在多种环境下实现应变和温度的同时测量。通过优化设计，该系统不仅具备高灵敏度的特点，而且在复杂的应用场景中展现出良好的稳定性和可靠性，为未来的光纤传感技术发展开辟了新的方向。
