新型光纤F-P干涉传感结构及特性研究

论文摘要

光纤传感技术凭借其抗干扰能力强、本质安全、可远程测量等优点倍受各国的重视。光纤F-P干涉传感器作为光纤传感器中极为重要的一类,具有体积小、分辨率高、稳定性好、成本低廉等突出优点,成为应用最成功的光纤传感器之一。本文对光纤F-P干涉传感器的分类及其制作方法做了较为详细的分析,指出现有光纤F-P干涉传感器在制作和结构设计方面的不足,在此基础上,提出并制作了两种新型微光纤F-P干涉传感器（MFFPI）,丰富了MFFPI的结构体系。主要研究内容包括:①理论分析了高斯光束经过MFFPI后反射光的强度分布,数值仿真了F-P干涉腔不平行度对MFFPI输出反射光强和干涉条纹对比度的影响。结果表明,随着光纤F-P干涉腔不平行度的增加,反射光的强度呈现整体下降趋势,并且干涉条纹的对比度也呈非线性地迅速降低。这些分析为制作高对比度MFFPI提供了理论基础。②理论研究了熔接型光子晶体光纤F-P干涉传感器的光学特性和传感特性,结果表明:（1）熔接型光子晶体光纤F-P干涉传感器的条纹对比度只与两个反射面的反射率和第一个反射面的传输损耗有关,这为制作高对比度的光子晶体光纤F-P干涉传感器提供了理论指导;（2）折射率引导型光子晶体光纤F-P干涉传感器温度灵敏度主要取决于纯硅的热光系数和包层的热光系数,而光子带隙光纤传感器具有较低的温度灵敏度。③分析了飞秒激光加工的机理和特点,采用掺钛蓝宝石飞秒激光器,通过减小飞秒激光焦斑直径、超声波清洗、双面写入、化学腐蚀等措施,制作出了高对比度的非对称型MFFPI结构。④比较系统的研究了非对称型MFFPI的传感特性,结果发现:（1）非对称型MFFPI具有较低的温度灵敏度,在20100oC的温度范围内,其波长-温度灵敏度为- 0.002 nm /oC,并且非对称型MFFPI全光纤结构为其应用于高温测量提供了可能;（2）非对称型MFFPI具有较高的应变灵敏度,在0 360με的应变范围内,其波长-应变灵敏度达到0.006 nm /με,同时结合温度特性可实现无需温度补偿的高灵敏度应变计;（3）非对称型MFFPI的开放腔结构使得液体/气体能够自由地进出,并且具有较高的折射率灵敏度。⑤首次设计并制作了基于TIR-PCF的端面型MFFPI,从理论和实验研究了该MFFPI的传感特性,发现基于TIR-PCF的端面型MFFPI具有较高的条纹对比度-外界折射率响应灵敏度,在1.33～1.444内,干涉条纹对比度随着待测液体折射率的增加而线性减小,灵敏度为4.59/RIU,分辨率为2×10-5,重复率为±0.5%FS;其腔长具有较高的温度灵敏度,腔长变化量对温度的灵敏度为18.721n m /oC ,重复率为±0.15%FS,基于此可实现温度和折射率的同时测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 光纤传感器的特点及分类
• 1.2 相位调制型光纤传感器
• 1.2.1 Mach-Zehnder 干涉型光纤传感器
• 1.2.2 Sagnac 干涉型光纤传感器
• 1.2.3 Fabry-Perot 干涉型光纤传感器
• 1.3 光纤F-P 干涉传感器的分类、制作及应用
• 1.3.1 本征型光纤F-P 干涉传感器
• 1.3.2 非本征型光纤F-P 干涉传感器
• 1.3.3 在线型光纤F-P 干涉传感器
• 1.4 课题研究的意义及主要内容
• 2 光子晶体光纤
• 2.1 光子晶体光纤的概念
• 2.2 光子晶体光纤的导光原理
• 2.2.1 折射率引导型光子晶体光纤的导光原理
• 2.2.2 光子带隙光纤的导光原理
• 2.3 光子晶体光纤的特性
• 2.3.1 折射率引导型光子晶体光纤的特性
• 2.3.2 光子带隙光纤的特性
• 2.4 光子晶体光纤在传感领域的应用
• 2.4.1 改变空气孔性质
• 2.4.2 基于光子晶体光纤的新型传感器件
• 2.5 本章小结
• 3 光纤F-P 干涉传感器的基本原理
• 3.1 光纤F-P 干涉传感器的干涉模型
• 3.2 MFFPI 的基本原理
• 3.3 熔接型光子晶体光纤F-P 干涉传感器的基本原理
• 3.4 光子晶体光纤F-P 干涉传感器的环境响应特性
• 3.4.1 温度响应特性
• 3.4.2 折射率响应特性
• 3.5 光纤F-P 干涉传感器信号解调技术
• 3.5.1 谱峰追踪法
• 3.5.2 频域解调法
• 3.6 本章小结
• 4 飞秒激光加工的微光纤F-P 干涉传感器
• 4.1 飞秒激光加工的机理和特点
• 4.2 飞秒激光加工微光纤F-P 干涉传感器
• 4.2.1 飞秒激光加工系统
• 4.2.2 MFFPI 的设计及制作
• 4.2.3 微光纤F-P 干涉传感器输出干涉谱分析
• 4.3 飞秒激光加工的高对比度单模光纤MFFPI
• 4.3.1 影响飞秒激光加工的因素
• 4.3.2 飞秒激光加工系统的改进措施
• 4.3.3 高对比度单模光纤MFFPI
• 4.4 飞秒激光加工的MFFPI 环境响应特性
• 4.4.1 轴向应变特性
• 4.4.2 温度特性
• 4.4.3 折射率特性
• 4.4.4 复用特性
• 4.5 本章小结
• 5 光子晶体光纤F-P 干涉传感器
• 5.1 光子晶体光纤与单模光纤接续损耗的研究
• 5.1.1 模场面积不匹配因素导致的接续损耗
• 5.1.2 空气孔的塌陷
• 5.1.3 低损耗熔接光子晶体光纤与单模光纤的理论
• 5.1.4 低损耗熔接光子晶体光纤与单模光纤的实验
• 5.2 TIR-PCF 本征不对称F-P 干涉传感器
• 5.2.1 TIR-PCF 本征不对称F-P 干涉传感器的设计及制作
• 5.2.2 基于TIR-PCF 的本征不对称F-P 传感器温度特性
• 5.3 基于TIR-PCF 的端面型F-P 干涉传感器
• 5.3.1 基于TIR-PCF 的端面型F-P 传感器设计及制作
• 5.3.2 基于TIR-PCF 的端面型F-P 干涉传感器折射率特性
• 5.3.3 基于TIR-PCF 的端面型F-P 干涉传感器温度特性
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 基本内容总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 论文不足之处及进一步研究计划
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间申请专利目录