论文题目: 硅微光机械加速度地震检波器理论与实验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理电子学
作者: 吴波
导师: 陈才和
关键词: 地震检波器,加速度计,简谐振子,波导,马赫泽德干涉仪
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 能源安全是国民经济和社会发展乃至国家安全的前提,石油供应安全是国家能源安全问题中最为迫切的问题。为缓解我国油气供不应求的现状,寻找油气勘探战略接替区已经成为当务之急。鉴于容易找到的资源已经被发现和开采,亟待于提高勘探技术。地震检波器作为执行地震勘探的第一道工序的仪器,其性能的好坏,直接影响到地震数据采集的质量。本研究为国家自然科学基金资助项目“光电集成加速度地震检波技术理论与实验研究”(No.40274047)的主课题。该研究首次提出一种新型的微光机械加速度地震检波器,该器件集光波导传感技术与硅微机械技术于一体,具有高灵敏度、宽频带、高精度、体积小、集成度髙等优良特性,适合在高温高寒等恶劣环境下稳定工作,而且有望解决传统光纤传感器向微型化和批量生产时遇到的装配困难及长期稳定性问题。本论文主要完成以下研究工作: 1.系统研究了各种光波调制传感器,重点研究了光相位调制传感器。详细研究了相位调制型波导传感器的传感机理,分析了应力应变效应和温度应变效应引起的相位变化机理。从晶体光学出发,详细推导了光弹效应引起的相位变化,给出了相位变化公式。最后探讨了光相位解调方法。2.详细分析了硅微光机械加速度地震检波器的静态工作特性和动态工作特性,给出了其核心-简谐振子系统的优化结构设计。从悬臂梁的小应变理论和弯曲应力理论出发,并应用广义虎克定律对“十字梁-质量块”简谐系统的梁形变和应力应变进行了详细的分析推导,讨论分析了相位灵敏度。建立了该加速度地震检波数学模型,对其幅频特性和相频特性,以及阻尼对系统特性的影响进行了分析讨论。通过综合考虑,得到优化结构参数。用有限元软件ANSYS对系统进行了建模仿真。分析讨论了该加速度地震检波器的量程和横向灵敏度。最后对所应用的小挠度理论的使用范围进行了讨论。3.对硅基微光机械加速度地震检波器的Mach-Zehnder光波导干涉仪系统进行了系统研究和优化设计。从导波的射线理论出发,导出了波导单模条件,运用有效折射率法完成了单模波导的优化设计。对Y分支波导的工作原理和损耗特性进行了深入地分析研究,完成了分支波导优化设计。为了实现大角度光路转向,采用波导转向镜结构,完成了优化设计。对光束传播法进行了深入研究,并对Y分支波导进行模拟仿真和分析研究。分析讨论了金属包覆/介质缓冲层的偏振器,给出了TE0、TM0模吸收损耗系数和缓冲层厚度的关系图,实现了TE模偏振器的优
论文目录:
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 地震勘探技术的研究背景
1.3 传统地震检波器工作原理
1.3.1 动圈式检波器
1.3.2 涡流式检波器
1.3.3 压电式检波器
1.4 新型地震勘探技术的研究进展
1.5 MOEMS技术
1.5.1 MOEMS技术背景
1.5.2 MOEMS 器件特点及应用
1.5.3 微机电系统的工艺研究
1.6 MEMS/MOEMS 加速度传感器分类和发展状况
1.6.1 硅微加速度传感器的基本类型
1.6.2 国外硅微加速度传感器发展现状
1.7 国内地震检波器技术研究和MEMS 技术研究现状
1.8 本文主要研究工作
第二章 光波导传感器的传感原理和相位检测研究
2.1 引言
2.2 光波导传感器分类
2.2.1 光强度调制型
2.2.2 相位调制型
2.2.3 偏振态调制型
2.2.4 波长调制型
2.2.5 频率调制型
2.3 相位调制型传感器
2.3.1 干涉原理
2.3.2 迈克尔逊(Michelson)干涉仪
2.3.3 马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉仪
2.3.4 法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪干涉仪
2.4 相位调制型传感器传感原理
2.4.1 应力应变效应
2.4.2 温度应变效应
2.5 光相位解调方法
2.5.1 零差相位解调方法
2.5.2 外差相位解调方法
2.6 小结
第三章 硅微光机械加速度地震检波器简谐振子的结构设计
3.1 引言
3.2 加速度地震检波器静态分析
3.2.1 悬臂梁的小形变理论
3.2.2 梁的弯曲应力理论
3.2.3 十字梁形变分析
3.2.4 十字梁应力与应变分析
3.2.5 相位变化分析
3.3 加速度地震检波器动态分析
3.4 加速度计简谐振子结构设计
3.5 加速度计有限元模拟
3.5.1 加速度计模态分析
3.5.2 加速度计的量程和失效分析
3.5.3 加速度计的横向灵敏度
3.5.4 加速度计的小挠度理论适用范围讨论
3.6 小结
第四章 M-Z 光波导干涉仪工作原理及结构设计
4.1 引言
4.2 光波导基本原理
4.2.1 光波导的射线理论
4.2.2 光波导的电磁理论
4.3 单模波导设计
4.4 Y 分支波导设计
4.4.1 Y 分支波导工作原理
4.4.2 直接转向型Y 分支波导
4.4.3 S 弧形Y-分支
4.4.4 波导转向镜设计
4.5 光束传播法(BPM)基本原理
4.5.1 几种典型的BPM 方法
4.5.2 边界条件
4.6 BPM 法数值模拟
4.7 波导偏振器设计
4.8 小结
第五章 硅基微光机械加速度地震检波器的工艺研究
5.1 引言
5.2 波导干涉仪制作工艺
5.2.1 分支波导制作
5.2.2 波导反射镜制作
5.3 波导干涉仪制作结果
5.4 波导干涉仪通光测试结果
5.5 简谐振子制作工艺
5.5.1 简谐振子制作工艺
5.6 简谐振子制作结果
5.7 小结
第六章 总结与展望
参考文献
攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
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