双折射光子晶体光纤压力传感器的研究

论文摘要

光纤技术是信息技术领域的重要前沿,光子晶体光纤是基于光子晶体技术发展起来的新一代光纤,它具有传统光纤所无法比拟的光学性质,如无截止单模传输、灵活的色散特性、可控的非线性、以及高双折射效应等。近年来,基于光子晶体光纤的压力传感器已成为研究的热点。本文首先提出了一种新型高双折射光子晶体光纤,该光纤包层为二氧化硅介质中按三角形格子排列的空气孔,在纤芯中心移去空气孔,而在芯区上下各引入2个大空气孔,并在芯区填入聚碳酸酯。然后应用平面波展开法分析了这种保偏光子晶体光纤的模式和双折射,并对该种光纤结构参数进行了优化。结果表明,提高近芯区大空气孔直径可以有效提高双折射。在此基础上,用有限元方法研究了横向压力对光子晶体光纤传输特性的影响。结果表明,横向压力使光子晶体光纤的双折射发生变化,从而导致入射线偏振光X,Y两个偏振传输模式的相位差发生变化,通过检测偏振光两个方向的相位差就可以感知到外界环境压力的变化大小。本文还通过改变光纤的结构参数来分析光子晶体光纤双折射随压力变化的影响因素,通过一系列的仿真对比得到压力敏感度最大的光纤结构参数。最后,设计了一种基于双折射光子晶体光纤的压力传感器,并对该传感器具体结构组成和材料参数选择进行了讨论,通过对比已有的几种干涉型光子晶体光纤压力传感器,分析了本文提出的压力传感器的优缺点,介绍了双折射光子晶体光纤压力传感器在智能安全监测中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 压力传感器简介
• 1.1.1 光纤压力传感器
• 1.1.2 光子晶体光纤压力传感器的研究进展
• 1.2 光子晶体光纤简介
• 1.2.1 光子晶体光纤的概念和分类
• 1.2.2 光子晶体光纤的优点
• 1.3 高双折射光子晶体光纤
• 1.3.1 高双折射光子晶体光纤的研究进展
• 1.3.2 高双折射光子晶体光纤在压力传感中的应用
• 1.4 光子晶体光纤数值计算方法简介
• 1.4.1 平面波扩展方法
• 1.4.2 全矢量有限元法
• 1.5 本论文的研究重点和内容安排
• 第二章 光子晶体光纤压力传感理论分析基础
• 2.1 光子晶体光纤的数值计算方法
• 2.1.1 晶体学基础概念
• 2.1.2 平面波展开法
• 2.1.3 全矢量有限元法
• 2.2 光子晶体光纤应力分析
• 2.3 COMSOL分析压力对光子晶体光纤双折射特性的影响步骤
• 2.4 小结
• 第三章 光子晶体光纤双折射特性的研究
• 3.1 保偏光子晶体光纤的双折射原理
• 3.2 高双折射光子晶体光纤的结构
• 3.3 保偏光子晶体光纤的模场分布
• 3.4 保偏光子晶体光纤的双折射
• 3.4.1 保偏光子晶体光纤双折射的求解过程
• 3.4.2 保偏光子晶体光纤在不同条件下的双折射
• 3.5 小结
• 第四章 光子晶体光纤压力传感特性的研究
• 4.1 横向受力的光子晶体光纤传感的理论分析
• 4.2 横向压力对光子晶体光纤双折射的影响
• 4.3 光子晶体光纤双折射随压力变化大小的因素研究
• b/ Λ条件下的光子晶体光纤双折射随压力变化'>4.3.1 不同d_b/ Λ条件下的光子晶体光纤双折射随压力变化
• 4.3.2 不同空气孔间距d条件下的光子晶体光纤双折射随压力变化
• 4.3.3 不同空气孔间距Λ条件下的光子晶体光纤双折射随压力变化
• 4.4 小结
• 第五章 光子晶体光纤压力传感器及其应用
• 5.1 光子晶体光纤压力传感器原理
• 5.2 PCF压力传感器
• 5.2.1 PCF压力传感器的基本结构
• 5.2.2 压力传感结果的测量和传感器的工作范围
• 5.3 几种光子晶体光纤压力传感器敏感性对比分析
• 5.4 光子晶体光纤压力传感器的应用
• 5.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间发表的论文