聚合物涂层大直径光纤激光水听器的新方法学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为R. Rajesh，所有作者均来自印度海军物理与海洋学实验室（Naval Physical and Oceanographic Laboratory）。研究成果发表于2017年10月的《Journal of Lightwave Technology》（Vol. 35, No. 19）。

学术背景
研究领域为光纤传感器技术，具体聚焦于水下声学传感。分布式反馈光纤激光器（DFB fiber laser）因其高灵敏度、抗电磁干扰和易于多路复用等优势，被视为水下声学传感的理想选择。然而，传统大直径聚合物涂层在固化过程中因热膨胀系数差异会导致光纤光栅区域应变不均，从而损坏激光器性能，限制了其在水听器中的应用。本研究旨在通过一种新型封装方案解决这一问题，同时提升灵敏度和带宽。

研究流程与方法
1. 封装设计
- 创新点：在DFB光纤激光器的光栅区域外同轴包裹金属管（钢制，长度70 mm，外径0.8 mm），隔绝聚合物固化时的直接应变。
- 材料选择：采用两种环氧树脂（Epoxy-1和Epoxy-2）作为涂层材料，其弹性模量分别为700 MPa和1.5 GPa，通过填充物调节力学性能。
- 结构优化：涂层直径设为10 mm，两端锥形设计以减少光纤断裂风险。

1. 理论建模

   • 建立机械-声学耦合模型，分析涂层直径、金属管刚度对灵敏度和共振频率的影响。
     
   • 推导应变传递公式（公式8-9），考虑辐射阻抗（公式2）和等效刚度（公式6），预测频率响应。
     

2. 实验验证

   • 激光器保护：通过预应力和实时波长监测（分辨率0.03 nm的光谱分析仪），确保固化过程中波长偏移小于0.09 nm。
     
   • 水下测试：在50 m×20 m×20 m的声学水池中，对比标准水听器（B&K 8105）与聚合物涂层水听器的性能。
     
   • 干涉仪系统：采用马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer, MZI，光程差50 m）和相位生成载波（PGC）解调技术，实现高灵敏度检测。
     

主要结果
1. 灵敏度与带宽
- Epoxy-1涂层水听器在1 kHz下的噪声等效压力（NEP）为66.5 dB re 1 μPa/√Hz，比深海零状态（DSS0）高20 dB。
- 平坦频率响应达4 kHz，第一纵向共振峰出现在5 kHz，与模型预测一致（图9）。
- Epoxy-2因更高刚度导致共振频率偏移200 Hz（图10），验证了材料特性的影响。

1. 方向性与线性度

   • 6 kHz以下方向性偏差小于3 dB（图14），符合全向水听器要求。
     
   • 输出电压与声压呈线性关系（图13），动态范围满足实际应用需求。
     

2. 深水适应性

   • 20 m水深下灵敏度下降4 dB（图15），但共振频率不变，表明涂层几何形变是主因。
     
   • 静水压引起的波长偏移为66 pm/MPa（图16），100 m深度下仅偏移0.07 nm，兼容密集波分复用（DWDM）系统。
     

结论与价值
本研究通过金属管屏蔽和预应力的创新设计，解决了大直径聚合物涂层导致DFB光纤激光器损坏的难题，实现了25 dB的灵敏度提升和4 kHz的平坦带宽。其科学价值在于提出了应变传递的定量模型（公式5-9），为类似封装设计提供了理论依据；应用价值体现在水听器可满足未来声呐系统对高灵敏度、宽带宽和低成本的需求。

研究亮点
1. 方法创新：金属管同轴封装避免了传统涂层的应变损伤，同时通过预应力和实时监测保障了激光器稳定性。
2. 性能突破：灵敏度接近DSS0水平，且带宽优于多数文献报道的聚合物涂层方案。
3. 工程适用性：简化了复杂机械放大结构（如文献[21-23]的微加工梁或薄膜设计），降低了制备成本。

其他发现
- 实验发现环氧树脂的固化收缩可通过预应力补偿，波长偏移控制在0.1 nm内（图7），为DWDM阵列应用提供了可行性。
- 方向性测试表明高频（9 kHz）下偏差仍小于4 dB，扩展了水下声学探测的频率范围。