微结构光纤的传输特性和传感解调技术研究

论文摘要

微结构光纤是通过曝光,刻蚀或拉丝在传统光纤上制备出周期性微结构,如光子晶体光纤,光纤上制作法布里-珀罗腔等。微结构光纤具有丰富的微结构和光学特性,极大地改变了光纤微结构器件的结构和性能。胶体晶体是亚微米级单分散胶体微球在合适的条件下形成的三维有序周期阵列结构。该种结构具有独特的光学性质。在这些结构的基础上,采用胶体晶体修饰光纤,可以形成三维光子晶体光纤光学器件,由于是在普通的光纤上制备,因此制作简便、成本低,其研究具有重要的意义。本文基于胶体晶体和微结构光纤的光学特性,用有限时域差分方法（FDTD）数值分析胶体晶体结构、能带特性和传输特性,指导胶体晶体微结构光纤的设计、制作和应用。研究了胶体晶体的结构和传输特性。采用时域有限差分法建立了胶体晶体的结构模型,数值模拟了胶体晶体的透射谱和胶体晶体的传输模式,分析了其光子带隙的位置,讨论了不同参数对带隙位置的影响,分析传输特性与折射率调制、晶格常数和外界环境的关系。基于胶体晶体和微结构光纤的研究,提出了新型胶体晶体微结构光纤,理论分析了其结构和参数,采用时域有限差分法建立了胶体晶体微结构光纤模型,计算并测量了该结构的透射谱,实验结果和理论计算得到的光子带隙一致,分析了不同波长对胶体晶体微结构光纤传输模式的影响,结果表明胶体晶体对光传播模式存在一定的影响。本文还研究了微结构光纤传感器的解调技术,提出了一种基于神经网络的谱峰追踪解调方法,并将其应用于微结构光纤压力传感系统的解调。理论上分析了神经网络的基本原理和解调方法,搭建压力测试系统进行相关解调试验,结果表明,神经网络方法可以达到较高的精度,满足实际需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 胶体晶体
• 1.1.1 胶体晶体概念
• 1.1.2 胶体晶体制备
• 1.1.3 胶体晶体的表征和测试
• 1.1.4 胶体晶体的研究现状
• 1.2 微结构光纤
• 1.2.1 微结构光纤概述
• 1.2.2 微结构光纤的特性
• 1.2.3 微结构光纤传感研究现状
• 1.3 微结构光纤的分析方法
• 1.4 课题来源及本文研究内容、意义
• 1.4.1 本论文的目的、意义
• 1.4.2 本论文的内容安排
• 第2章 时域有限差分法
• 2.1 前言
• 2.2 基本原理
• 2.3 数值稳定性
• 2.4 吸收边界条件
• 2.5 计算软件
• 2.5.1 建立工程、设置工程属性
• 2.5.2 建立仿真模型
• 2.5.3 设置光源
• 2.5.4 建立数据记录及数据处理
• 2.6 本章小结
• 第3章 胶体晶体结构和传输特性研究
• 3.1 前言
• 3.2 光子晶体结构
• 3.2.1 晶格
• 3.2.2 散射单元
• 3.2.3 光子晶体能带结构
• 3.3 胶体晶体结构
• 3.4 胶体晶体传输特性分析
• 3.4.1 模型建立
• 3.4.2 透反射谱计算
• 3.4.3 模场分布
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 胶体晶体微结构光纤传输特性研究
• 4.1 前言
• 4.2 光纤的结构和传输模式
• 4.2.1 光纤的结构
• 4.2.2 单模光纤的传输特性
• 4.2.3 单模光纤的传输模拟
• 4.3 胶体晶体微结构光纤的结构
• 4.4 胶体晶体微结构光纤传输特性分析
• 4.4.1 模型建立
• 4.4.2 透射谱分析
• 4.4.3 模场分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 微结构光纤传感器解调技术研究
• 5.1 前言
• 5.2 基于谱峰追踪的解调方法
• 5.2.1 单峰测量方式
• 5.2.2 双峰测量方式
• 5.3 基于神经网络的解调方法
• 5.3.1 RBF神经网络原理
• 5.3.2 基于RBF网络的干涉谱处理方法
• 5.4 实验与解调结果
• 5.4.1 实验系统
• 5.4.2 干涉谱处理
• 5.5 本章小结
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文及参与工作
• 致谢