基于长周期光子晶体光纤光栅的温度传感特性研究

论文摘要

本文根据耦合模理论和传输矩阵的方法，主要研究了长周期光子晶体光纤光栅的温度传感特性。首先对普通相移长周期光栅的传输谱特性进行分析，推导出两平行放置长周期光栅对的传输矩阵，分析了引入不同的非均匀因素，得到相移，周期失谐，啁啾和切趾函数等因素对光栅对传输谱线的影响；其次，研究了光子晶体光纤的模式特性，计算出折射率引导型光子晶体光纤的纤芯模式和部分包层模式，并对在光子晶体光纤中填充温敏材料前后的温度特性进行了分析；接下来通过模拟在光子晶体光纤上写入长周期光栅，填充高温敏折射率液体，分别对单个长周期光栅以及两个长周期光栅级联两种结构下的温度传感特性进行了分析研究。主要研究内容包括：（1）为了分析相移量对长周期光栅透射谱的影响，对单根LPG和两平行放置LPGs的耦合模方程进行推导，得到其具体的传输矩阵。分析结果表明：在LPG中引入单个相移量，会在光栅的透射带宽内打开一个反射窗口，形成两个透射峰，透射峰位置与相移量大小有关，相移量大小为π时，光栅的透射谱的两个峰值对称，另外随着引入相移点的位置接近光栅中心，光栅透射谱展宽；在LPG中等间隔引入多个相移量，透射峰的个数随之增加。（2）为了研究光栅非均匀因素对长周期光栅对的频谱特性的影响，通过设置不同的光栅参数，分析了在光纤光栅结构中引入不同非均匀因素的情况，其中非均匀因素包括相移，周期失谐，啁啾，切趾等。结果表明：相移、周期失谐和啁啾的引入将影响长周期光栅对的频谱宽度，随着非均匀量的增加，光栅对传输谱的频谱展宽，但是同时会在通带产生明显的旁瓣峰值，而指数切趾可以有效的抑制旁瓣。（3）在折射率引导型PCF上写入LPG，并填充折射率温度敏感型液体，提出了一种新型温度传感器。首先在实验上给出了光子晶体光纤填充液晶后的电调制特性。接下来应用全矢量有限元法，计算了在六角形结构排列的大模场面积光子晶体光纤（LMA-PCF）的空气孔中填充液体乙醇前后，PCF的纤芯基模和包层模的模场分布和色散曲线。根据耦合模理论，分析了光子晶体光纤长周期光栅（PCF-LPG）的传输谱随温度变化的关系。研究表明：填充液体乙醇后，在-20℃～80℃范围内PCF-LPG传输谱中心波长随温度近似以线性变化，其温度敏感度为1.766nm/℃。（4）基于马赫-曾德尔型干涉仪结构，提出了PCF-LPGs的温度传感结构。该结构是在光子晶体光纤上间隔一段距离写入两段长周期光栅，在PCF中填充液体乙醇，两段LPGs具有完全相同的3dB透射谱。研究表明：该级联双光栅结构的传输谱对温度的变化敏感，而且与（3）中的单根光栅结构相比，双光栅结构降低了传输谱中透射峰的带宽，从而提高了传感测量的精确度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 光纤光栅传感技术
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 光子晶体光纤光栅传感技术研究现状
• 1.2.1 长周期光纤光栅的传感研究
• 1.2.2 光子晶体光纤的传感研究
• 1.2.3 光子晶体光纤光栅的温度传感研究
• 1.3 论文的主要内容
• 1.4 本论文的主要创新点
• 第二章 光子晶体光纤及光纤光栅基本理论
• 2.1 光子晶体光纤
• 2.1.1 光子晶体光纤的导光机制
• 2.1.2 光子晶体光纤的光学特性
• 2.1.3 光子晶体光纤数值计算方法
• 2.2 光纤光栅基本理论
• 2.2.1 光纤光栅耦合模理论
• 2.2.2 长周期光栅的耦合模方程
• 2.2.3 长周期光栅的传输矩阵
• 2.3 本章小结
• 第三章 光子晶体光纤和长周期光栅特性分析
• 3.1 光子晶体光纤模式分析
• 3.1.1 全矢量有限元分析法
• 3.1.2 光子晶体光纤模式特性
• 3.2 相移长周期光栅频谱特性分析
• 3.2.1 相移长周期光栅的传输矩阵
• 3.2.2 仿真结果与特性分析
• 3.3 长周期光栅对频谱特性分析
• 3.3.1 长周期光栅对的传输矩阵
• 3.3.2 仿真结果与特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于温敏材料填充的长周期光子晶体光纤光栅传感特性
• 4.1 长周期光子晶体光纤光栅传感理论分析
• 4.2 基于温敏材料填充的温度传感器
• 4.2.1 材料填充方法
• 4.2.2 温度传感模型
• 4.3 实验结果与特性分析
• 4.3.1 基于液晶填充的电控实验分析
• 4.3.2 基于乙醇填充的模式分析
• 4.3.3 基于乙醇填充的温度特性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 两段光栅级联构成的光子晶体光纤光栅温度传感特性
• 5.1 两段光栅级联理论分析
• 5.1.1 M-Z 干涉仪理论分析
• 5.1.2 两段光栅级联的传输频谱
• 5.2 级联光纤光栅温度传感器
• 5.3 实验结果与特性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢