光纤磁光器件研究

发布时间：2020-09-10 15:45

　　光纤磁光器件凭借其体积小、结构简单和抗电磁干扰等优点,已经成为广大专家学者的研究热点,光纤磁场传感器与磁控可调光衰减器更是其中的重点研究对象,在军事、医学及生物等领域有着举足轻重的作用。本文主要以光纤磁场传感器的高灵敏度和高分辨率为研究目标,结合新型纳米材料和光纤激光技术分别设计并研制了基于磁流体和非对称光纤锥的光纤磁场传感器和基于激光偏振模拍频解调的光纤激光磁场传感器。另外本文还提出了一种飞秒激光加工的微结构光纤与磁流体结合的磁控全光纤可调衰减器。本文内容主要包括:(1)利用已选择最优放电参数的商用化熔接机在单模光纤上放电制作出非对称光纤锥结构,然后与磁流体相结合构成在纤Mach-Zehnder干涉式磁场传感器。理论分析了该传感器的传感原理,并实验研究了其干涉谱对外磁场的响应。实验结果表明该磁场传感器的传感性能可以通过设计非对称光纤锥的结构参数进行调控,本实验中轴向偏离量和锥腰直径分别为168μm和45μm的光纤磁场传感器具有最优光学性能,并在0-21.4mT磁场范围内具有最高的磁场传感灵敏度162.06pm/mT,这为弱磁场传感领域提供一种可供选择的光纤磁场器件。该光纤磁场传感器拥有很大的潜力。(2)提出并实验研究了一种基于光纤激光器的高灵敏度磁场传感器。利用一个受外磁场调控的转动装置作用在光纤激光线性腔内的一段掺铒光纤上来实现光纤的扭转,由此产生的光纤双折射变化被引入到激光腔中,于是激光器的两个偏振模式之间形成的拍频对外磁场强度的变化是敏感的。实验结果表明磁场从0Oe增大到270Oe时,偏振模拍频随之发生线性变化,灵敏度可达10.4KHz/Oe。为了增大磁场的可探测范围并进一步提高磁场测量精度,采用缩短激光腔长的设计,并利用相移光栅PS-FBG进行滤波,同时将线性腔结构变更为环形腔结构。对改进后的系统进行磁场测量实验,结果显示磁场测量范围增大至0-437Oe,磁场测量灵敏度为7.09KHz/Oe,而拍频线宽的压窄也提高了磁场测量精度。(3)利用飞秒激光加工系统在单模光纤上加工制作微结构光纤,然后与磁流体结合并对不同磁场方向下的光衰减进行了测量。分别对平行和垂直方向的磁场进行了实验研究及理论分析。实验结果表明,输入光强度不变时,输出光强度随平行磁场强度的增大而增大,随垂直磁场强度的增大而减小。将平行磁场和垂直磁场两种情况结合搭建全光纤衰减系统,可以实现可调谐范围为-15dB-15dB的磁控全光纤可调衰减器。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TP212;TN715
【部分图文】：

磁场测量,电磁感应法

图 1.1 磁场测量技术的应用Fig.1.1 The application of magnetic field measurement technology场测量方法测量技术是研究与磁有关的物理现象的重要手段之一，已逐科学。磁场测量包括磁参数和磁性材料特性的测量，其中磁强度和磁通的测量，而磁性测量指的是材料试样的测试，用性参数。场测量的方法一般可分为磁-力法、电磁感应法、磁通门法、电法、磁共振法、超导效应法和磁光效应法等。弱磁场测量技相互依赖又相互促进，不同场合所具有的特点使其对磁场探相同。在多种磁场测量方法中，磁-力法主要作用于地震预报磁暴观测以及检测岩石样品的磁性等方面；电磁感应法主要场，其分辨率可达 10-9T；磁通门法的应用领域可涉及到磁场、工程检测、载体方位姿态测量与控制等许多方面，并在大

Mach-Zehnder干涉仪,光纤,结构示意图

随着微加工等技术的日益发展，这种干涉仪式传感器系统具有很强的通用性，因此具有广阔的应用前景。图2.1 光纤Mach-Zehnder干涉仪结构示意图Fig.2.1 The schematic diagram of optical fiber Mach-Zehnder interferometer structureMach-Zehnder干涉结构是1892年马赫（L. Mach）和曾德尔（Zehnder）提出的通过半透半反镜对光源分光进入不同的光路后再汇合干涉的干涉结构，而传统光纤Mach-Zehnder干涉仪是将这种干涉结构光纤化后所得，如图2.1所示。光源发出的光经耦合器C1分为两束光分别进入信号臂光纤L1和参考臂光纤L2，两束光经耦合器C2汇合相干形成干涉条纹。光纤Mach-Zehnder干涉仪不带有纤端反射镜，克服了光纤Michelson干涉仪回波干扰的缺点，因而在光纤传感领域得到了更广泛的应用。光纤Mach-Zehnder干涉仪的输出端光强I 可表示为1 2 1 2I I I 2 I I cos( )(2.1) 1 1 2 22 n L n L (2.2)其中，1I 、2I 分别为信号臂和参考臂中的光强度，是两干涉臂的相位差

示意图,磁流体,示意图

1 1 2 2a ba bn L n L 21 1 2 2n L n L 和b 远大于，公式可化简为（2.4）。当工作波长为定值时 1 1 2 2n L n L，最终干涉仪的功率谱发生平移，故可根据干涉谱的光谱变化的外界物理量。磁流体折射率的可调谐性绪论部分可知，磁场测量是光纤传感器的一个重要应用。为了使光纤传感器上，一些具有磁控特性的特殊功能材料（如纳米磁流该类传感器是将磁性材料对磁场变化的响应转化为光纤光学参数光参数的变化解调出外磁场强度的变化。对磁流体的探索可以追1963 年美国 Paperll 获得了第一个磁流体制备专利并于美国登月密封中成功应用。

【参考文献】