Analysis of influence of acceleration field on deformation of gyro fiber-optical ring
-
摘要: 通过航天器大机动时直线加速场下陀螺光纤环的有限元分析，得出光纤环在加速场下的形变机理。基于各向异性复合材料理论，采用细观力学有限元方法，对光纤环代表性体积单元施加周期边界条件，分析得出光纤环的等效材料参数。再利用有限元程序ANSYS建立光纤环组件的空间有限元模型，施加加速度场，并建立接触单元分析形变过程中的结构接触耦合影响。分析结果表明：在加速场的作用下，光纤环形变的主要原因包括光纤环组件中的U型槽和顶盖形变后与光纤环的接触耦合作用，以及U型槽和顶盖结构的形变引起光纤环和光纤环本体结构的形变。Abstract: Through the finite element analysis of gyroscope fiber-optical ring under the linear acceleration field of spacecraft in large maneuvering motion, the deformation mechanism of the fiber-optical ring was obtained. Based on the theoretical knowledge of anisotropic materials, the micro-mechanics finite element method was used to apply periodic boundary conditions to the representative volume element (RVE) of the fiber-optical ring. Therefore, the equivalent material parameters of the fiber-optical ring were analyzed. The finite element program ANSYS was adopted to establish the spatial finite element model of the fiber-optical ring assembly and apply the acceleration field. The contact element was established to analyze the structural contact coupling effect during the deformation process. The analysis results show that the U-shaped structure and top cover of the fiber-optical ring assembly structure will contact with the fiber-optical ring after deformation under the action of acceleration field. In addition, the U-shaped structure and top cover structure will deform under the action of inertial force, which will affect the deformation of the fiber-optical ring.
-
引言
2μm波段光纤激光器工作在人眼安全波段，具有增益谱线宽、效率高、光束质量好的特点[1-4]，在医疗、传感、雷达和空间通信等领域具有较好的应用前景[5-7]，也可作为3 μm~5 μm中红外光参量振荡及超连续谱的泵浦源[8-9]。目前，2μm波段光纤激光器研究主要集中在超短脉冲光纤激光器[10-11]、宽调谐光纤激光器[12-13]、高功率光纤激光器[14-16]和多波长光纤激光器[17-18]，并取得了快速的进展。
可调谐光纤激光器结构简单、成本低、稳定性好，在波分复用系统、分布式光纤光栅传感系统、全光网络等方面具有很好的应用前景[19-20]。2 μm可调谐光纤激光器的研究在2010年之前多以腔外置光栅结构为主。2006年，复旦大学沈德元教授报道了一种基于衍射光栅的2 μm波段宽带可调谐掺铥光纤激光器，采用1 565 nm铒镱共掺光纤激光器泵浦双包层掺铥光纤，调谐范围达1 859 nm~2 061 nm，输出功率19.2 W[21]。2009年，R.A.Sims等报道了一种基于反射式体光栅的2 μm波段窄线宽可调谐光纤激光器[22]，调谐范围为2 004 nm~2 054 nm，线宽为50 pm，输出成功率达到17 W。2010年，F.Wang等报道了一种基于体光栅的高功率宽带可调谐掺铥光纤激光器[23]，采用792 nm激光泵浦双包层掺铥光纤，调谐范围为1 943 nm~1 998 nm，输出功率大于53 W，线宽为10 pm，斜率效率为45%。上述研究均采用了光栅调谐，虽然调谐范围大，但是自由空间耦合结构复杂，可靠性和稳定性不高。
2010年至今，随着掺铥光纤和2 μm波段光纤滤波器件工艺的成熟，全光纤结构的可调谐掺铥光纤激光器已成为研究热点。2012年，魏一振、王天枢等报道了一种基于Fabry-Perot(F-P)光纤滤波器的全光纤可调谐激光器[13]，在2 μm波段的调谐范围达70 nm。2013年，Z.Li等报道了一种基于可调谐光纤滤波器的2 μm波段光纤激光器，实现调谐范围大于250 nm，3 dB光谱平坦度为200 nm[24]。2014年，李剑锋等报道了一种采用高反射率光纤光栅(FBG)的2 μm波段可调谐掺铥光纤激光器[25]，在1 975 nm~2 150 nm波段分别采用5只中心波长不同的FBG实现了宽带调谐，斜率效率大于30%。
本文提出了一种基于F-P光纤滤波器的全光纤宽带可调谐激光器，采用环形腔结构和1 550 nm半导体激光器泵浦铥-钬共掺单模光纤(THDF)，实现了2 μm波段195 nm宽带可调谐激光输出，线宽0.05 nm，边模抑制比达到66.98 dB。
1 实验结构与工作原理
基于F-P光纤滤波器的全光纤2μm宽带可调谐环形激光器实验结构如图 1所示，经光纤放大器放大后的1 550 nm半导体泵浦光通过一个1 550 nm/2 000 nm波分复用器(WDM)注入一段4 m长铥-钬共掺光纤(THDF)，泵浦光最大输出功率为1 W，THDF受激辐射而产生光放大，反向增益光经F-P光纤滤波器滤波后，再由20:80耦合器的20%端口输出，80%端口将正反馈光返回环形腔内不断放大形成持续激光振荡。隔离器保证光在腔内单向传输，其隔离度为45 dB。输出端接自主搭建的2 μm铥钬共掺光纤放大器结构，该结构由1 550 nm半导体激光经过光纤放大器后，通过1 550 nm/2 000 nm WDM泵浦4 m长THDF产生高增益，可以将环形腔产生的激光功率提升至瓦级，10:90耦合器的10%端口采用光谱分析仪(AQ6375)观测光谱。滤波器接入环形腔采用活动连接器连接，其余器件采用熔接。
实验采用的THDF数值孔径、截止波长、模场直径分别为0.14、1 400 nm~1 500 nm、10.5 μm。F-P光纤滤波器基于F-P干涉仪原理，只对符合条件的波长具有选择作用，从而在腔内形成激光振荡，可调谐范围由干涉仪的自由光谱区(FSR)决定[26]。
2 实验结果与讨论
泵浦光进入TDF产生放大自发辐射光(ASE)，F-P滤波器的透射谱如图 2所示，图 2(a)为不同波长透射谱，可知F-P滤波器调谐范围为1 855 nm~2 045 nm，调谐带宽近190 nm。随着中心波长增加，峰值功率逐渐降低，这是由于TDF的放大自发辐射谱中心波长靠近1 850 nm[27]，滤波中心越靠近长波处，峰值功率越低。将中心波长调谐至1 945 nm时的透射光谱如图 2(b)所示，滤波器透射谱3 dB带宽为1.627 nm，边模抑制比(SMSR)最高为24 dB。
1 550 nm半导体泵浦源经1 550 nm放大器后的功率最大可达1 W，再通过1 550 nm/2 000 nm波分复用器注入THDF。当泵浦功率达到0.385 W时，激光器达到阈值，THDF在环形腔内产生受激辐射并经过滤波和正反馈形成激光振荡。泵浦功率提高至1 W时，调节F-P光纤滤波器得到了1 855 nm~2 050 nm波长范围内的可调谐激光输出，图 3(a)为在10:90耦合器的10%输出端采用光谱分析仪观察得到的不同波长激光输出光谱，带宽可达195 nm。随着调谐波长的增大，输出激光强度增加，这是因为滤波器透射中心波长靠近2 000 nm，当调谐波长逐渐靠近2 000 nm时，F-P滤波器透射率升高，腔内损耗降低导致输出激光功率增大。调谐中心波长至1 855 nm处的输出光谱如图 3(b)，3 dB线宽为0.05 nm，小于图 2(b)所示滤波器透射谱的线宽，这是由于环形腔窄化了激光线宽，使边模抑制比(SMSR)也提高到55.25 dB。图 3(c)与图 3(d)分别为中心波长在1 955 nm与2 050 nm处的输出光谱，边模抑制比分别可达66.98 dB与62.80 dB。
激光器输出功率随泵浦功率变化的关系如图 4所示。未接放大器时，采用光功率(Thorlabs PM100)探测，当波长处于1 910 nm时，输出功率随着泵浦功率变化关系如图 4(a)，当泵浦光功率为1 W时，激光器输出功率为21 mW，输出功率较低，这是由于滤波器透射中心波长靠近2 000 nm，1 910 nm距离中心波长较远导致损耗较高；且2 μm波段器件工艺不够完善，激光器效率受限于WDM的耦合效率，活动连接器、耦合器、滤波器等器件插入损耗高，造成腔内损耗大。输出端接2 μm铥钬共掺光纤放大器，如图 1所示，放大器泵浦功率为5 W，正向泵浦4 m长THDF，则输出功率随放大器的泵浦功率变化关系如图 4(b)所示，当泵浦功率为5 W时，激光输出功率为1.201 W，激光输出功率得到了很大提升。
3 结论
本文提出并研究了一种基于F-P光纤滤波器的全光纤2 μm宽带可调谐激光器，利用1 550 nm激光泵浦一段4 m长铥-钬共掺光纤，通过调节F-P光纤滤波器得到了1 855 nm~2 050 nm的近195 nm调谐带宽，并且通过后接2 μm光纤放大器使输出功率达到瓦级。该可调谐光纤激光器具有窄线宽、宽调谐范围、高信噪比、较高的输出功率等特点。可以通过改善材料性能和工艺方法，增大F-P光纤滤波器的FSR，使得激光器调谐范围进一步增加。同时，也需要改善泵浦结构，扩大光纤增益谱范围，尤其是平坦度范围。实验中，未接放大器时泵浦效率较低，可以通过完善器件制造以及光纤连接工艺进一步使损耗减小、效率提升。
-
![]()
图 3 光纤环结构示意图和横截面视图
Figure 3. Schematic diagram and cross-sectional view of fiber-optical ring structure
![]()
图 5 RVE模型在拉伸与剪切载荷下的应力和位移云图
Figure 5. Stress and displacement cloud diagram of RVE model under tensile and shear loads
![]()
图 6 +X向10 g光纤环组件的有限元模型和总形变图
Figure 6. Finite element model and total deformation diagram of fiber-optical ring assembly structure at 10 g in + X direction
![]()
图 7 +X向10 g 3种不同接触效应的光纤环总形变和接触压力图
Figure 7. Total deformation and contact pressure of optical fiber ring with three contact effects from 10 g in + X direction
![]()
图 8 +Y向10 g和−Y向10 g的光纤环总形变
Figure 8. Total fiber ring deformation of 10 g in + Y direction and 10 g in − Y direction
![]()
图 9 +X向10 g、+X向6 g和+X向2 g含接触效应的光纤环上表面总位移
Figure 9. Total displacement of upper surfaces of optical fiber ring with contact effect at 10 g in + X direction, 6 g in + X direction and 2 g in + X direction
![]()
图 10 +Y向10 g、+Y向6 g和+Y向2 g含接触效应的光纤环上表面总位移
Figure 10. Total displacement of upper surfaces of optical fiber ring with contact effect at 10 g in + Y direction, 6 g in + Y direction and 2 g in + Y direction
![]()
图 11 −Y向10 g、Y向6 g和−Y向2 g含接触效应的光纤环上表面总位移
Figure 11. Total displacement of upper surfaces of optical fiber ring with contact effect at 10 g in − Y direction, 6 g in Y direction and 2 g in −Y direction
表 1 光纤所含材料参数
Table 1 Material parameters contained in fiber-optical
名称 弹性模量 E/MPa 泊松比 μ 密度 ρ/kg·m−3 光纤内涂层 2 0.49 1 179 光纤外涂层 1 200 0.33 1 179 石英 73 103.448 28 0.18 2 193.5 胶粘剂 584.62 0.3 1 179 
下载: 导出CSV
表 2 本文与算例的B/Al复合材料等效弹性性能参数计算结果对比
Table 2 Comparison of calculation results of effective elastic performance parameters of B/Al composites in this paper and reference
参数 Et1/GPa Ea/GPa Et2/GPa Ga1/GPa Ga2/GPa Gt/GPa vt1 vt2 va 算例 143.9 215 143.9 54.34 54.34 45.8 0.255 0.255 0.195 本文 145 215 139 54.2 54.2 45.5 0.251 0.223 0.165
下载: 导出CSV
表 3 光纤环等效材料参数
Table 3 Equivalent material parameters of fiber-optical ring
参数 值 参数 值 E1/GPa 0.262 G31/GPa 0.0654 E2/GPa 23.7 v12 0.004682 E3/GPa 0.214 v23 0.145771 G12/GPa 0.102 v31 0.317134 G23/GPa 0.102 密度/kg·m−3 1501.8148
下载: 导出CSV
-
[1] 杨盛林, 马林, 陈桂红, 等. 4J32芯轴式环圈骨架对光纤陀螺性能的改善[J]. 中国惯性技术学报,2016,24(1):88-92. YANG Shenglin, MA Lin, CHEN Guihong, et al. Improvement on FOG performance by 4J32 skeleton of mandrel coil[J]. Journal of Chinese Inertial Technology,2016,24(1):88-92.
[2] 王新龙, 马闪. 光纤陀螺随机漂移误差补偿适用性方法[J]. 北京航空航天大学学报,2008,34(6):681-685. WANG Xinlong, MA Shan. Applicability compensation method for random drift of fiber optic gyroscopes[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2008,34(6):681-685.
[3] 高鑫, 严吉中, 谢良平, 等. 光纤陀螺的角加速度误差分析与实验研究[J]. 压电与声光,2013,35(6):821-823. GAO Xin, YAN Jizhong, XIE Liangping, et al. Analysis and experimental research on angular acceleration error of fOG[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics,2013,35(6):821-823.
[4] 舒建涛, 李绪友, 吴磊. 高精度光纤陀螺振动误差抑制技术[J]. 红外与激光工程,2011,40(11):2201-2206. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2011.11.026 SHU Jiantao, LI Xuyou, WU Lei. Vibration error restrain technology for high-precision fiber optic gyroscope[J]. Infrared and Laser Engineering,2011,40(11):2201-2206. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2011.11.026
[5] 苏晓东, 宋蔚阳, 吴昭辉, 等. 光纤陀螺跟踪角加速度模型建模与研究[J]. 电子技术与软件工程,2019(5):169-171. SU Xiaodong, SONG Weiyang, WU Zhaohui, et al. Modeling and research on tracking angular acceleration model of fiber optic gyroscope[J]. Electronic Technology & Software Engineering,2019(5):169-171.
[6] 高鑫, 严吉中, 谢良平, 等. 光纤陀螺在摇摆状态下的误差建模与补偿[J]. 光电工程,2013,40(5):58-63. GAO Xin, YAN Jizhong, XIE Liangping, et al. Error Modeling and Compensation of FOG in Swaying Motion[J]. Opto-Electronic Engineering,2013,40(5):58-63.
[7] 王锴, 冯喆, 刘淑荣, 等. 电磁干扰对光纤陀螺零偏的影响分析及验证: 中国惯性技术学会2019科技工作者研讨会[C]. 昆明: 中国惯性技术学会, 2019: 42-44. WANG Kai, FENG Zhe, LIU Shurong, et al. Analysis and verification of the influence of electromagnetic interference on the bias of fiber optic gyroscope[C]//China Institute of Inertial Technology 2019 Symposium for Scientific and Technical Workers. Kunming, Yunnan, China: Society of Chinese Inertial Technology, 2019: 42-44.
[8] 周闻青, 费宇明, 洪桂杰, 等. 高精度光纤陀螺零位误差的磁温特性研究[J]. 应用光学,2020,41(1):220-226. ZHOU Wenqing, FEI Yuming, HONG Guijie, et al. Error modeling and compensation of FOG in swaying motion[J]. Journal of Applied Optics,2020,41(1):220-226.
[9] 宋昱寰, 管练武, 高延滨, 等. 光路偏振串扰误差对闭环光纤陀螺精度影响[J]. 哈尔滨工程大学学报,2020,41(8):1210-1215. SONG Yuhuan, GUAN Lianwu, GAO Yanbin, et al. Influence of polarization crosstalk error of optic path on the accuracyof a closed-loop fiber optic gyroscope[J]. Journal of Harbin Engineering University,2020,41(8):1210-1215.
[10] 白俊卿, 张科, 卫育新. 光纤陀螺随机漂移建模与分析[J]. 中国惯性技术学报,2012,20(5):621-624. doi: 10.3969/j.issn.1005-6734.2012.05.024 BAI Junqing, ZHANG Ke, WEI Yuxin. Modeling and analysis of fiber optic gyroscope random drifts[J]. Journal of Chinese Inertial Technology,2012,20(5):621-624. doi: 10.3969/j.issn.1005-6734.2012.05.024
[11] 梁霄, 魏天啸, 谢良平. 闭环光纤陀螺精度性能提升方法研究[J]. 红外技术,2019,41(9):819-923. LIANG Xiao, WEI Tianxiao, XIE Liangping. Research on precision enhancement of closed-loop FOGs[J]. Infrared Technology,2019,41(9):819-923.
[12] 潘雄, 张春生, 王夏霄, 等. 反馈延迟对光纤陀螺振动误差特性的影响[J]. 红外与激光工程,2014,43(8):2607-2612. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.08.035 PAN Xiong, ZHANG Chunsheng, WANG Xiaxiao, et al. Impact on vibration error characteristics of FOG with feedback delay[J]. Infrared and Laser Engineering,2014,43(8):2607-2612. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.08.035
[13] 姜梦茹, 李彦, 侯智懿, 等. 光纤环温度特性对光纤陀螺零偏稳定性的影响[J]. 激光杂志,2018,39(11):39-42. JIANG Mengru, LI Yan, HOU Zhiyi, et al. The influence of the temperature characteristics of the fiber ring on the bias stability of the fiber optic gyroscope[J]. Laser Journal,2018,39(11):39-42.
[14] 杨远洪, 伊小素, 孟照魁, 等. 光纤陀螺用光纤环的应力分布实验研究[J]. 压电与声光,2005,27(2):98-101. doi: 10.3969/j.issn.1004-2474.2005.02.004 YANG Yuanhong, YI Xiaosu, MENG Zhaokui, et al. Experimental study on strain distribution in fiber coil used in fiber optic gyroscope[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics,2005,27(2):98-101. doi: 10.3969/j.issn.1004-2474.2005.02.004
[15] 王海波, 周爱军, 陈荣娟, 等. 惯性器件原理与应用[M]. 1版. 长春: 吉林大学出版社, 2017: 16. WANG Haibo, ZHOU Aijun, CHEN Rongjuan, et al. Principle and application of inertial devices[M]. 1st ed.Changchun: Jilin University Press, 2017: 16.
[16] 张超, 许希武, 严雪. 纺织复合材料细观力学分析的一般性周期性边界条件及其有限元实现[J]. 航空学报,2013,34(7):1636-1645. ZHANG Chao, XU Xiwu, YAN Xue. General periodic boundary conditions and their application to micromechanical finite element analysis of textile composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2013,34(7):1636-1645.
[17] 吕毅, 吕国志, 孙龙生. 基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用[J]. 机械强度,2009,31(5):851-856. LYU Yi, LYU Guozhi, SUN Longsheng. Construction and application of RVE library based on finite element computation micromechanics[J]. Journal of Mechanical Strength,2009,31(5):851-856.
[18] 雷友锋, 魏德明, 高德平. 细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量[J]. 燃气涡轮试验与研究,2003,16(3):11-15, 18. LEI Youfeng, WEI Deming, GAO Deping. Predicting macroscopic effective elastic moduli of composites by micro-mechanics FEM[J]. Gas Turbine Experiment and Research,2003,16(3):11-15, 18.
[19] SMIT R J M, BREKELMANS W A M, MEIJER H E H. Prediction of the large-strain mechanical response of heterogeneous polymer systems: local and global deformation behaviour of a representative volume element of voided polycarbonate[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1999,47(2):201-221. doi: 10.1016/S0022-5096(98)00089-1
[20] 沙云东, 丁光耀, 田建光, 等. 纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证[J]. 航空动力学报,2018,33(10):29-37. SHA Yundong, DING Guangyao, TIAN Jianguang, et al. Prediction and test verification of mechanical properties of fiber reinforced composites[J]. Journal of Aerospace Power,2018,33(10):29-37.
[21] 王耀先. 复合材料力学与结构设计[M]. 1版.上海: 华东理工大学出版社, 2012: 65. WANG Yaoxian. Composite material mechanics and structure design[M]. 1st ed.Shanghai: East China University of Science and Technology Press, 2012: 65.
-
期刊类型引用(2)
1. 韩果，丘杭海，朱鹏，罗敏芳. 大展弦比巡飞弹挂固定翼载机投放研究. 教练机. 2024(03): 37-41 . 
百度学术
2. 胡国欣，周唯，邵翔宇. 基于面阵式激光雷达的弹目交会参数解算仿真研究. 舰船电子工程. 2023(09): 88-94 . 百度学术
其他类型引用(4)
计量
- 文章访问数: 652
- HTML全文浏览量: 416
- PDF下载量: 26
- 被引次数: 6
陕公网安备 61011302001501号 