分布式光纤量子传感机理与关键技术研究

发布时间：2020-04-30 10:17

【摘要】：光纤纤芯内光量子与微观粒子、振动声子相互作用,产生散射效应。在外界应力作用下,光纤中光量子散射状态发生变化,形成光纤量子传感。光纤量子传感技术具有灵敏度高、定位精度高、敷设方式简单、抗电磁干扰等优点,是进行分布式应力监测的有力手段。本文面向应用需求,以国家与江苏省前瞻性研究项目为牵引,开展分布式光纤量子传感机理与关键技术的研究。第一章简要介绍了分布式光纤量子传感技术及其发展,讨论了量子传感技术和量子信息传输技术。在此基础上,分析了影响量子信息在光纤中传输的各种因素。回顾了基于各类散射效应的分布式光纤量子传感系统的国内外研究进展。最后,提出了本文的主要研究内容。第二章从线性量子谐振子模型入手,推导出量子谐振子的产生、湮没算符以及相关算符的矩阵元。并将固体振动波和电磁波能量量子化,得到声子和光子的量子模型。接着,研究了光纤纤芯中的散射现象,将物质系统和电磁波分开处理,将它们之间的相互作用作为微扰处理,推导出基于自发拉曼散射的光纤量子传感模型。最后,讨论了基于散射现象的分布式光纤量子传感机理,模拟分析分布式光纤拉曼温度传感器,讨论了结果。第三章在经典光传输方程的基础上,基于量子电子学理论,通过电磁场振幅量子化,对单模光纤中的模式进行量子化,建立了单模光纤量子传输方程。接着,在色散、损耗、非线性效应均存在的复杂情况下,通过给出试探解、引入微扰法求解了单光子和双光子传输方程,获得色散方程。对色散方程进行了数值分析,得出了光功率随微扰频率的变化关系。对结果进行了深入分析,为实验研究奠定基础。第四章按照构建分布式光纤量子传感实验系统的要求,研究了多层薄膜滤波器的工作原理,推导出膜系特征矩阵,分析了基于法布里-珀罗(F-P)腔的光学薄膜特点和性能参数。采用折射率匹配法分析了单、多级薄膜滤波器性能,讨论了设计方法。优化设计并研制了三类薄膜滤波器,测试结果符合实验系统要求。第五章提出了分布式光纤量子传感器的系统结构,分析了系统中使用的光源模块、光滤波器模块和光电检测模块的结构、性能和参数。最后,搭建了两个分布式光纤量子传感实验系统,对分布式量子传感实验系统进行性能验证。实验结果表明,分布式光纤量子扰动传感系统的检测距离可到达50km,定位精度优于±50m。分布式光纤量子温度传感系统的检测距离可达到10km,定位精度优于±10m。最后给出全文的总结,并提出进一步研究的建议。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253;O413;TP212

【参考文献】