实芯光子晶体光纤干涉仪传感特性研究

论文摘要

光子晶体光纤作为一种新型的导光传输介质,因其特殊的微结构而具有很多优良特性,如:无截止单模传输、高非线性、大模场面积等。这种微结构光纤的问世解决了通信与传感领域的众多难题,成为备受关注的研究热点。光纤传感器具有抗干扰能力强、制作简单、测量精度高、可靠性好、可远程测量等优势而备受青睐,本文将实芯光子晶体光纤的优良特性引入到光纤Mach-Zehnder干涉仪与光纤Fabry-Perot干涉仪之中,理论分析了实芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的基本原理,手动熔接制作了基于实芯无截止单模光子晶体光纤的Mach-Zehnder干涉仪和Fabry-Perot干涉仪、基于多模实芯光子晶体光纤的Fabry-Perot干涉仪,并且理论分析及实验研究了这两类干涉仪的光学特性和传感特性,为其进一步应用提供了重要的指导。本论文主要完成了以下几个方面的工作:1.首先介绍了光子晶体光纤的基本理论、光学特性及其与单模光纤的耦合;详细阐述了实芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪和Fabry-Perot干涉仪的制作过程,并且对其制作过程中的模式耦合及损耗进行了分析。在此基础上,对这两种干涉仪的结构原理进行了理论分析。2.对实芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪的光学特性进行了理论分析和实验研究。（1）理论分析了实芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪的折射率、温度、应变及弯曲等环境响应的特性;（2）折射率实验结果表明,在1.34～1.384的折射率区间,这种器件表现出很好的线性响应,其折射率灵敏度为70.45 nm/RIU。将干涉仪的干涉臂腐蚀后,折射率灵敏度提高到了198.77 nm/RIU,约为腐蚀前的2.8倍。由温度和应变实验特性可知,该传感器的应变线性度较好、机械强度高、温度灵敏度低（0.0019 nm/℃）,从而可部分克服温度-应变的交叉敏感影响。此外,通过该干涉仪的弯曲特性实验可知,其弯曲灵敏度可达3.046nm/m,且没有迟滞效应;（3）将长周期光纤光栅（LPFG）与具有零偏置的实芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪级联进行弯曲测量,实验结果表明,级联后的传感器件具有更高的灵敏度和分辨率。最后,对实芯光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪在传感与通信领域的潜在应用进行了讨论。3.对在线型实芯光子晶体光纤Fabry-Perot干涉仪的光学特性进行了理论分析和实验研究。（1）理论分析和实验研究了在线型实芯光子晶体光纤Fabry-Perot干涉仪的气体折射率传感机理。实验结果表明,该干涉仪可以用于监测不同压强下空气的折射率变化,其折射率灵敏度达到805.1um/RIU,没有迟滞效应,此外,该干涉仪还可以用于监测未经压缩的不同浓度的气体的折射率;（2）理论分析了多模实芯光子晶体光纤Fabry-Perot干涉仪的高温-应变特性。由实验结果可知,这种传感器件可以耐750℃的高温且具有较低的温度灵敏度,而其应变灵敏度可达2.3pm/με,在航天、航空和冶金领域具有较高的应用价值。综上所述,通过对实芯光子晶体光纤干涉仪的设计、制作,以及相关光学特性的实验研究,丰富和发展了全光纤传感器件的种类,为光纤传感领域提供了几种可供选择的光子晶体光纤器件,具有一定的学术意义和应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 光纤传感器简介及发展概况
• 1.2 相位调制型光纤传感器简介
• 1.2.1 光纤Michelson 干涉传感器
• 1.2.2 光纤Sagnac 干涉传感器
• 1.2.3 光纤Mach-Zehnder 干涉传感器
• 1.2.4 光纤Fabry-Perot 干涉传感器
• 1.3 本课题的研究内容及意义
• 2 光子晶体光纤 Mach-Zehnder 干涉仪
• 2.1 光子晶体光纤基本理论及特性
• 2.2 光子晶体光纤与单模光纤的耦合理论
• 2.3 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪
• 2.3.1 光纤Mach-Zehnder 干涉仪的结构及原理
• 2.3.2 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪的制作
• 2.4 本章小结
• 3 光子晶体光纤 Mach-Zehnder 干涉仪传感特性研究
• 3.1 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪的折射率特性
• 3.1.1 折射率特性理论分析
• 3.1.2 折射率特性实验及结果分析
• 3.2 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪的温度特性
• 3.3 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪的应变特性
• 3.4 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪的弯曲特性
• 3.4.1 弯曲特性理论分析
• 3.4.2 弯曲特性实验及结果分析
• 3.5 光子晶体光纤Mach-Zehnder 干涉仪的潜在应用
• 3.6 本章小结
• 4 在线型光子晶体光纤 Fabry-Perot 干涉仪传感特性研究
• 4.1 在线型光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的基本原理
• 4.2 在线型光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的制作
• 4.2.1 全内反射型光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的制作
• 4.2.2 多模实芯光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的制作
• 4.3 全内反射型光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的折射率特性
• 4.3.1 折射率特性理论分析
• 4.3.2 折射率特性实验结果及分析
• 4.4 多模实芯光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的高温应变特性
• 4.4.1 高温应变特性理论分析
• 4.4.2 高温应变特性实验结果及分析
• 4.5 在线型光子晶体光纤Fabry-Perot 干涉仪的潜在应用
• 4.6 本章小结
• 5 全文总结
• 5.1 全文总结
• 5.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录