新型光纤微弱电场传感器关键技术研究

发布时间：2020-07-08 03:01

【摘要】：针对现代越来越复杂的环境探测需求,我们需要全面的、多手段的复合探测。继磁场、声场后,电场监测变得越来越重要。光纤微弱电场传感器是最具有应用潜力的一类微弱电场传感器,但对它的研究开展的较少。为了探究哪种测量方法最适合微弱电场的探测,本文针对三种全光纤微弱电场传感器开展了研究,包括法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉腔微弱电场传感器、光栅光纤电场传感器和基于石墨烯的D型电场传感器,对这三种电场传感器灵敏度和制作难度进行了比较。本文的主要内容如下:1.首先仿真分析了F-P腔两反射面反射率不同时的光谱特性。结果表明:高反射率时透射光谱具有较高的精细度,低反射率时反射光谱具有较高的精细度。当F-P腔一端低反时,随着另一端反射率的增加,条纹的明暗对比度先增后减。当F-P腔一端高反时,随着另一端反射率的增加,条纹的明暗对比度随之增加,暗条纹处的锐度相当高,但在亮条纹处不利于确定其对应的波长。2.提出一种两端面反射率不同的F-P腔结构方案,开展了它的设计与制作并搭建了实验系统,利用条纹计数法进行F-P腔相位解调。实验结果表明:电压每升高1V腔长约改变61.14nm,电压每降低1V腔长约改变57.14nm。3.采用了压电陶瓷,对基于光纤光栅的微弱电场传感器开展了研究。推导了光纤光栅的传输耦合模方程,运用传输矩阵法建立了光栅传输理论模型,模拟仿真了不同结构参数的光栅对应的反射光谱。实验结果表明,该传感器的电压灵敏度达到5.27pm/V。4.提出了一种D型光纤石墨烯相结合的微弱传感器的结构,开展了外加电场和输出光强的关系的研究,验证了该结构测量微弱电场的可行性。实验结果表明,石墨烯对光的吸收先逐渐减小,然后发生陡降,最后慢慢增大直至趋于稳定。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM15;TP212
【图文】：

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折射率与其所受纵向电压的一一对应关系。通过光谱仪可以检测到输出光光强和波长的关系，就能间接地测量出外部电压的大小。图1-5 基于相移光纤光栅的D 型光纤电场传感器结构图

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电子科技大学硕士论文4图1-6 基于相移光纤光栅的D 型光纤电场传感器横截面示意图波长型光纤电场传感器的优点有：传感探头结构简单、尺寸小、制作光栅的工艺成熟等等。波长型光纤电场传感器的缺点有：对波长漂移的检测需要运用较昂贵的仪器、光源需要大功率的宽带光源等等。1.2.3 相位型光纤电场传感器如图 1-7 所示，相位型光纤电场传感器主要是改变电场传感部分的光程差，进而改变相位，再利用干涉产生的相位和光强变化来进行电场的测量[39]。光源探测器反射镜传感光纤参考光纤电场图1-7 相位型光纤电场传感器示意图以迈克尔逊（Michelson）结构的设计举例。如图1-8 所示，它的基本原理是将光纤粘贴在压电陶瓷上面，当所施加的电场发生变化时，压电陶瓷随之膨胀和收缩，从而改变光纤的长度，产生光相位延迟。被2 个反射镜反射后，信号臂和参考臂中的光信号经过环形器产生干涉[8]。最后通过一些检测手段即可检测出光强度的差异,从而测得待测电场的大小。

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第一章绪论5图1-8 干涉型光纤微弱电场传感系统原理图相位型光纤电场传感器的优点有：高灵敏度、高分辨率、宽动态范围、相当快的响应速度等等。相位型光纤电场传感器的缺点有：易受外界环境的影响，有串音等等。1.2.4 偏振型光纤电场传感器偏振型光纤电场传感器主要利用电光效应和磁致旋光效应（Faraday 效应）进行传感测量。外加电场的改变引起光的偏振态的改变。电光效应包括 Pockels 效应和 Kerr效应。Pockels 效应： n E(1-1)Kerr 效应[9]可以表示为：2 n E(1-2)在式(1-1)和(1-2)中， n代表折射率改变量，E 为电场强度，和都是常数。当光通过电光晶体，由双折射引起的的光程差 l为： l n l(1-3)对应的相位差为： 2 l2 n l (1-4)把式(1-1)、(1-2)代入式(1-4)，得：

【参考文献】