保偏光纤传感器与光纤敏感环模耦合研究
发布时间：2021-08-31 20:01
光纤传感器已经走出了实验室,在国防、交通以及医疗等领域获得广泛应用。与普通单模光纤传感器相比,保偏光纤传感器不仅具有抵御外部环境干扰并保持偏振态稳定传输的优点,而且它多了双折射、偏振主轴以及模耦合等参数,可以用于更多参数的传感。但保偏光纤用于传感器时,必然引入新的双折射,因此作为保偏光纤传感器的基本传感机理,必须考虑保偏光纤固有双折射与被测传感量引起的诱导双折射之间的双重偏振效应问题。本文引入了四元数的概念并应用于偏振光学领域,以此为工具,彻底搞清楚双重偏振效应问题,为研究保偏光纤传感器提供了基础,具有重要的理论意义。保偏光纤传感器的另一个重要问题是保偏光纤性能下降导致传感器的性能下降,其最主要的因素是偏振模耦合或偏振串音。因此,深入研究多种因素导致的偏振模耦合对保偏光纤中偏振态传输的影响机理,实现对保偏光纤的偏振模耦合系数的分布式、高精度和高空间分辨率测量,具有十分重要的学术价值和实用意义。保偏光纤传感器可分为点式、准分布式和分布式三类,保偏光纤分布式传感器同时具有分布式传感与保偏光纤传感的双重优点,测量参数会更多,而测量结果将更稳定。保偏光纤分布式传感器的主要技术方案是基于偏振的O...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１．３光纤受外应力作用后偏振态的演化：（ａ）普通单模光纤；（ｂ）保偏光纤??Ｆｉｇ．?１．１．３?Ｔｈｅ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｓｔａｔｅ?ｃｈａｎｇｅ?ｉｎｄｕｃｅｄ?ｂｙ?ｅｘｔｅｒｎａｌ?ｓｔｒｅｓｓ?ｉｎ?ｆｉｂｅｒｓ：?（ａ）?ＳＭＦ；?（ｂ）?ＰＭＦ??
各向异性从而引入强烈的双折射效应，外界环境干扰引起的双折射相对要小得多，??合成的双折射无论其方向还是大小都只有微弱的变化，因此，当输入光的偏振态??对准人为引入的双折射轴时，其偏振态只在一个很小的范围内变化，这种具有明??显高双折射的光纤称为保偏光纤（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ?Ｆｉｂｅｒ，?ＰＭＦ）。保偏光纤??的两个正交线偏振模之间有较大的传输常数差，当入射光偏振态对准保偏光纤的??任一偏振主轴时，该偏振光可以基本保持这个确定的偏振态传输下去。如图１．１．３??（ｂ）所示，即使是受到外应力作用，由外应力导致的双折射变化也远远小于保偏??光纤自身固有的双折射，因此其传输光依然能基本保持偏振本征态传输下去。需??要说明的是，保偏光纤并不能实现偏振态的不失真传输，只能实现偏振本征态的??稳定传输。一旦输入的偏振态没有对准偏振主轴，输出偏振态的变化要比普通光??纤更剧烈，所以“保偏光纤”这个术语常常会引起误解，以为能够将输入偏振态??不失真的传输到输出端，比较科学的说法是“高双折射光纤”。典型的保偏光纤折??射率在横截面上的分布如图１．１．４所示，主要包括椭圆型、Ｄ型、熊猫型、领结型??以及内椭圆包层型？，其归一化双折射率系数通常大于１０＿５。关于保偏光纤的制造、??分类及研究方法等详细介绍可以参考文献［３５］，本文不再赘述。??
（ａ）?（ｂ）??图１．２．１根据ＯＦＳ－１５会议上发表文章关于光纤传感的分布统计，（ａ）依据测量参量（ｂ）依??据所用技术ｔ４２］??Ｆｉｇ．?１．２．１?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＯＦＳ－１５?ｐａｐｅｒｓ?ａｃｃｏｒｄｉｎｇ?ｔｏ?（ａ）?ｍｅａｓｕｒｅｄ?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，?（ｂ）?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ?ｔ４２］??目前，保偏光纤传感器可用于振动［４３‘４４］、应力［４５］、温度Ｗ、双折射［４７’４８］、弯??曲《、拍长ｗ、电流？等参量的检测。目前，关注度较高的保偏光纤传感器有以??下几种类型：（１）保偏光纤光栅传感器［５２］；?（２）保偏光纤Ｓａｇｎａｃ干涉仪［４３’４６］；?（３）??马赫－曾德（Ｍ－Ｚ）干涉仪［５３］；?（４）分布式光时域反射计［４４’４５’５４］。可以看出，基于??保偏光纤的传感器与普通光纤传感器在结构上并没有太大的区别，只不过是将传??感介质从普通光纤替换为保偏光纤。目前，很多以光学相干检测和偏振态监检测??为基础的普通光纤传感器中，也使用了保偏光纤作为传输介质，使用保偏光纤能??够保证偏振态的稳定传输，提高相干信噪比，更能实现对被测物理量的高精度测??量。??保偏光纤传感作为一种高精度传感技术，主要应用于光纤陀螺、惯性导航系??统以及光纤水听器等。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军事惯导和潜舰声呐??
【参考文献】：
期刊论文
[1]长距离分布式光纤传感技术研究进展[J]. 饶云江. 物理学报. 2017(07)
[2]保偏光纤应力传感特性的理论分析[J]. 张显峰,吴重庆,盛新志. 激光杂志. 2016(09)
[3]高灵敏度光纤扭转传感器[J]. 茶国智,郑晓虹. 自动化与仪表. 2016(01)
[4]光纤陀螺的发展与应用[J]. 霍雷,谢良平,谌尧周,王媛娣. 电子科技. 2015(08)
[5]大气气溶胶偏振遥感研究进展[J]. 郭红,顾行发,谢东海,余涛,孟庆岩. 光谱学与光谱分析. 2014(07)
[6]国外偏振成像军事应用的研究进展(下)[J]. 莫春和,段锦,付强,丁莹,祝勇,姜会林. 红外技术. 2014(04)
[7]国外偏振成像军事应用的研究进展(上)[J]. 段锦,付强,莫春和,祝勇,丁莹,杨帆,姜会林. 红外技术. 2014(03)
[8]利用四元数方法研究各态遍历偏振态发生器[J]. 刘岚岚,吴重庆,李政勇. 光学学报. 2014(03)
[9]偏振成像技术的进展[J]. 赵劲松. 红外技术. 2013(12)
[10]偏振光学的四元数方法[J]. 丁光涛. 光学学报. 2013(07)
博士论文
[1]光纤偏振特性研究的四元数方法与非线性偏振效应[D]. 刘岚岚.北京交通大学 2015
[2]光纤高速偏振态检测与偏振光时域反射技术的研究[D]. 尚超.北京交通大学 2012
硕士论文
[1]POTDR传感技术的研究[D]. 李香华.电子科技大学 2008
本文编号：3375527
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１．３光纤受外应力作用后偏振态的演化：（ａ）普通单模光纤；（ｂ）保偏光纤??Ｆｉｇ．?１．１．３?Ｔｈｅ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｓｔａｔｅ?ｃｈａｎｇｅ?ｉｎｄｕｃｅｄ?ｂｙ?ｅｘｔｅｒｎａｌ?ｓｔｒｅｓｓ?ｉｎ?ｆｉｂｅｒｓ：?（ａ）?ＳＭＦ；?（ｂ）?ＰＭＦ??
各向异性从而引入强烈的双折射效应，外界环境干扰引起的双折射相对要小得多，??合成的双折射无论其方向还是大小都只有微弱的变化，因此，当输入光的偏振态??对准人为引入的双折射轴时，其偏振态只在一个很小的范围内变化，这种具有明??显高双折射的光纤称为保偏光纤（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ?Ｆｉｂｅｒ，?ＰＭＦ）。保偏光纤??的两个正交线偏振模之间有较大的传输常数差，当入射光偏振态对准保偏光纤的??任一偏振主轴时，该偏振光可以基本保持这个确定的偏振态传输下去。如图１．１．３??（ｂ）所示，即使是受到外应力作用，由外应力导致的双折射变化也远远小于保偏??光纤自身固有的双折射，因此其传输光依然能基本保持偏振本征态传输下去。需??要说明的是，保偏光纤并不能实现偏振态的不失真传输，只能实现偏振本征态的??稳定传输。一旦输入的偏振态没有对准偏振主轴，输出偏振态的变化要比普通光??纤更剧烈，所以“保偏光纤”这个术语常常会引起误解，以为能够将输入偏振态??不失真的传输到输出端，比较科学的说法是“高双折射光纤”。典型的保偏光纤折??射率在横截面上的分布如图１．１．４所示，主要包括椭圆型、Ｄ型、熊猫型、领结型??以及内椭圆包层型？，其归一化双折射率系数通常大于１０＿５。关于保偏光纤的制造、??分类及研究方法等详细介绍可以参考文献［３５］，本文不再赘述。??
（ａ）?（ｂ）??图１．２．１根据ＯＦＳ－１５会议上发表文章关于光纤传感的分布统计，（ａ）依据测量参量（ｂ）依??据所用技术ｔ４２］??Ｆｉｇ．?１．２．１?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＯＦＳ－１５?ｐａｐｅｒｓ?ａｃｃｏｒｄｉｎｇ?ｔｏ?（ａ）?ｍｅａｓｕｒｅｄ?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，?（ｂ）?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ?ｔ４２］??目前，保偏光纤传感器可用于振动［４３‘４４］、应力［４５］、温度Ｗ、双折射［４７’４８］、弯??曲《、拍长ｗ、电流？等参量的检测。目前，关注度较高的保偏光纤传感器有以??下几种类型：（１）保偏光纤光栅传感器［５２］；?（２）保偏光纤Ｓａｇｎａｃ干涉仪［４３’４６］；?（３）??马赫－曾德（Ｍ－Ｚ）干涉仪［５３］；?（４）分布式光时域反射计［４４’４５’５４］。可以看出，基于??保偏光纤的传感器与普通光纤传感器在结构上并没有太大的区别，只不过是将传??感介质从普通光纤替换为保偏光纤。目前，很多以光学相干检测和偏振态监检测??为基础的普通光纤传感器中，也使用了保偏光纤作为传输介质，使用保偏光纤能??够保证偏振态的稳定传输，提高相干信噪比，更能实现对被测物理量的高精度测??量。??保偏光纤传感作为一种高精度传感技术，主要应用于光纤陀螺、惯性导航系??统以及光纤水听器等。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军事惯导和潜舰声呐??
【参考文献】：
期刊论文
[1]长距离分布式光纤传感技术研究进展[J]. 饶云江. 物理学报. 2017(07)
[2]保偏光纤应力传感特性的理论分析[J]. 张显峰,吴重庆,盛新志. 激光杂志. 2016(09)
[3]高灵敏度光纤扭转传感器[J]. 茶国智,郑晓虹. 自动化与仪表. 2016(01)
[4]光纤陀螺的发展与应用[J]. 霍雷,谢良平,谌尧周,王媛娣. 电子科技. 2015(08)
[5]大气气溶胶偏振遥感研究进展[J]. 郭红,顾行发,谢东海,余涛,孟庆岩. 光谱学与光谱分析. 2014(07)
[6]国外偏振成像军事应用的研究进展(下)[J]. 莫春和,段锦,付强,丁莹,祝勇,姜会林. 红外技术. 2014(04)
[7]国外偏振成像军事应用的研究进展(上)[J]. 段锦,付强,莫春和,祝勇,丁莹,杨帆,姜会林. 红外技术. 2014(03)
[8]利用四元数方法研究各态遍历偏振态发生器[J]. 刘岚岚,吴重庆,李政勇. 光学学报. 2014(03)
[9]偏振成像技术的进展[J]. 赵劲松. 红外技术. 2013(12)
[10]偏振光学的四元数方法[J]. 丁光涛. 光学学报. 2013(07)
博士论文
[1]光纤偏振特性研究的四元数方法与非线性偏振效应[D]. 刘岚岚.北京交通大学 2015
[2]光纤高速偏振态检测与偏振光时域反射技术的研究[D]. 尚超.北京交通大学 2012
硕士论文
[1]POTDR传感技术的研究[D]. 李香华.电子科技大学 2008
本文编号：3375527
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