超声作用于布拉格光纤光栅的特性研究

论文摘要

由于超声作用将导致光纤布拉格光栅（FBG）发生微弯曲,从而对FBG的纤芯折射率作出相应的调制,使得FBG的反射谱和透射谱发生显著的变化。利用该特点,国外研究者已经实现了基于超声调制FBG传感器、可调谐反射器、光开关、光纤滤波器等。首先,对超声检测中的超声波以及超声换能器进行了简单的介绍,提出检测应用中超声波的优点,并介绍了超声波的类型,同时对超声换能器产生超声波的原理和超声换能器的结构作了介绍。其次,从光栅基本理论出发,得出了超声作用导致光栅横向振动时光栅中存在三种主要的耦合方式,提出了经过修正之后的耦合模方程,根据失谐量定义,从相位匹配条件出发,定性地分析了光栅横向振动的反射谱特性。另外,从光栅超晶格理论出发,本文也简单介绍了纵向振动反射谱特性。第三,提出了基于Newton-Raphson方法的算法,对横向振动反射谱特性进行了数值模拟,这种算法快速稳定并且收敛。同时对数值模拟的反射谱进行了详细的分析。通过对数值模拟过程中选择的耦合模数目和超声强度进行优化分析,获得的结论是:如果没特殊要求的话,多模耦合方程中只需要选择两个模式就可以得到较精确的谱线。最后,根据理论分析,计算了要产生一阶包层模需要的超声波长以及对应的超声换能器频率,并进行了光纤光栅超声横向振动实验。测量了不同超声功率下FBG的反射谱。实验结果与理论基本相吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤光栅简介
• 1.1.1 光纤光栅的发展背景
• 1.1.2 光纤光栅的分类
• 1.1.3 光纤布拉格光栅（FBG）的基本原理
• 1.1.4 光纤光栅的制作
• 1.1.5 FBG 的主要特征
• 1.2 光纤光栅在超声波领域的应用研究
• 1.2.1 超声FBG 传感器
• 1.2.2 反射率可调谐FBG
• 1.2.3 光开光器
• 1.2.4 光纤滤波器
• 1.3 论文内容及主要结构
• 第二章 超声原理及超声换能器简介
• 2.1 超声技术概述
• 2.2 超声波波型
• 2.3 超声场以及特征参量
• 2.3.1 超声波的频率、周期、波长和传播速度
• 2.3.2 声压p 和介质质点振动速度v
• E 和声强I'>2.3.3 平均声能密度P_E和声强I
• 2.4 超声换能器
• 2.4.1 压电效应
• 2.4.2 活塞声源的纵波声场特性
• 2.4.3 超声换能器的种类
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声作用于FBG 特性的理论研究
• 3.1 横向振动理论分析
• 3.2 纵向振动理论分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 快速算法和横向振动特性的数值模拟
• 4.1 龙格－库塔法和传输矩阵
• 4.2 基于NEWTON-RAPHSON 方法的快速算法
• 4.2.1 数值模拟
• 4.2.2 耦合模方程中模式数目的优化
• 4.2.3 超声波强度优化
• 4.3 本章小结
• 第五章 超声作用于FBG 横向振动实验
• 5.1 参数分析
• 5.2 实验结构
• 5.3 实验结果
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的文章