光纤微梁谐振器的理论及相关技术研究

论文摘要

近年来,光激励微型谐振器得到了比较广泛的关注,这种谐振器的激励光和检测光通过光纤传送,适用于电磁干扰强、易燃易爆等场合。传统的光激励微谐振器需要附加的激励光源与检测光源,所以其光学系统比较复杂,较难实现。本文研究了一种新的全光型微梁谐振器结构,该结构将研磨光纤的加工部分作为谐振器的敏感元件。在这种条件下,激励光纤,检测光纤以及敏感元件耦合为一个整体,这样就克服了以往结构光学系统过于复杂的缺点。本文对该种光纤微梁谐振结构进行理论及相关技术研究:首先针对该研磨光纤微梁的品质因数进行了分析并对该结构的支撑阻尼进行详细的分析。首先运用欧拉梁理论与二维弹性波理论对该结构进行理论建模,然后应用傅立叶变换及其逆变换得到了该结构的支撑阻尼,最后通过MATLAB仿真软件对自由模式下该结构的Q值进行仿真,得到了较高的Q值,该结果证明了这种新型微谐振结构具有可行性,为今后的工作奠定了理论基础。其次研究了光纤微梁谐振器件的工艺设计及微谐振器的加工手段与优缺点,并且对多层研磨光纤结构光传输过程中的损耗情况进行了理论研究,结果表明:该种研磨光纤的传输损耗与研磨光纤表面距纤芯之间的距离有关,与聚合物的折射率及其厚度有关。最后数值计算了存在于研磨光纤结构中的各种阻尼形式对光纤微梁结构品质因数的影响。对影响结构阻尼的各种因素进行仿真分析,结构表明:研磨光纤的品质因数随研磨厚度的增大而减小,随研磨长度的增大而增大,随环境温度的增大而减小,随环境压强的增大而减小。最后运用ANSYS软件对研磨光纤梁机械固有频率进行有限元模拟分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 微机械传感技术
• 1.1.2 光纤传感技术概述
• 1.2 光激励微谐振器的技术特点
• 1.2.1 谐振器的主要性能指标
• 1.2.2 微机械谐振器的工艺加工特点
• 1.3 光激励微机械谐振器的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究状况
• 1.4 光激励微谐振器研究的发展趋势
• 1.5 本论文的主要研究意义及内容
• 2. 光纤微梁谐振器的结构设计及支撑阻尼分析
• 2.1 光纤微梁谐振器的结构设计
• 2.2 阻尼分析的物理意义
• 2.2.1 微谐振器的谐振技术特征
• 2.2.2 品质因数Q的含义
• 2.2.3 品质因数的主要影响因素分析
• 2.3 光纤微梁谐振器件的阻尼分析
• 2.3.1 支撑阻尼分析
• 2.3.2 仿真分析
• 3. 光纤微梁敏感器件的加工
• 3.1 微机械加工技术
• 3.1.1 腐蚀方法
• 3.1.2 微纳精密机械加工方法
• 3.2 侧面研磨光纤装置的设计
• 3.2.1 早期采用的光纤研磨方法
• 3.2.2 精确研磨单模光纤的装置和技术
• 3.2.3 本课题所采用的光纤研磨方法
• 4. 多层研磨光纤结构的光传输特性
• 4.1 多层研磨光纤结构
• 4.2 多层研磨光纤结构理论模型建立
• 4.3 数值计算及结论
• 5. 计算结果与分析
• 5.1 研磨光纤结构的其它主要阻尼形式分析
• 5.1.1 声辐射及热对流和热辐射
• 5.1.2 材料内摩擦
• 5.1.3 热弹性阻尼（TED）
• 5.1.4 空气黏性阻尼
• 5.1.5 研磨光纤结构的品质因数计算及仿真
• 5.2 研磨光纤梁机械固有频率ANSYS有限元模拟分析
• 5.2.1 研磨光纤梁的固有频率模态分析
• 5.2.2 双端固支梁的固有频率模态分析
• 6. 全文总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 改进与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文