微结构光纤光栅及光纤马赫—曾德干涉仪的传感特性研究

发布时间：2017-10-16 12:34

  本文关键词：微结构光纤光栅及光纤马赫—曾德干涉仪的传感特性研究

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【摘要】：微结构光纤(Microstructured Fiber,MSF),又称光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)或多孔光纤(Holy Fiber,HF),具有灵活的结构设计和独特的波导特性,是与常规光纤有着显著区别的新型特种光纤,在光纤通信、光纤传感及光纤激光器等领域引起研究者的广泛关注,成为光纤技术研究的热点。把微结构光纤、光纤光栅和干涉技术相结合,从而提高光纤传感器的性能及丰富光纤传感器的种类。长周期光纤光栅是一种重要的模式耦合传感器,光栅将纤芯能量耦合到包层模式中,满足共振条件从而产生共振损耗峰,把长周期光纤光栅刻写在微结构光纤中,可提高光纤传感器的分辨率及传感性能。本文研究高频二氧化碳激光器在全固态光子带隙光纤上刻写长周期光纤光栅的传感特性;利用模式耦合理论(Optic Grating)模拟长周期光纤光栅的周期长度与共振峰的关系;用800 nm飞秒激光在单模光纤、柚子型微结构光纤上刻写长周期光纤光栅,并分析了其应变和温度传感特性;另外对这种柚子型微结构光纤的两端错位熔接单模光纤构造马赫-曾德干涉仪,并对其传感特性进行研究。本论文的主要内容如下:(1)概述光纤传感器的概念及分类,详细介绍了利用有限元分析(FEM)软件Comsol Multiphysics对微结构光纤进行理论建模分析及求解模式的步骤。(2)研究一种由高频二氧化碳脉冲激光器在全固态光子带隙光纤上刻写长周期光纤光栅的传感特性。理论模拟及实验验证这种光纤的模场分布及带隙特征。光栅的共振波长为1335.76 nm,插入损耗(Insert loss)为~5.5 d B,共振峰的调制深度为~15 d B,3d B带宽宽度为2.6nm。实验研究这种光栅对应变、环境折射率、温度及扭曲的响应特性。(3)研究飞秒激光脉冲刻写长周期光纤光栅的特性,利用模式耦合理论(Optic Grating)模拟长周期光纤光栅,分析光栅周期与共振峰的关系,并利用800 nm飞秒激光在单模光纤上刻写长周期光纤光栅,理论模拟的结果与实验结果一致。在柚子型微结构光纤上刻写长周期光纤光栅,周期为250μm时,得到光栅第三阶高阶模的共振波长为1449.4 nm;插入损耗为1.397 d B;条纹对比度为11.36 d B;光栅的3 d B带宽为3.87 nm。当刻写周期为230μm时,得到光栅共振波长为1325.8 nm,与在单模光纤上刻写LPFG的规律一致。实验对周期为250μm的长周期光栅进行传感实验研究,得到应变灵敏度为-1.88 pm/με,温度灵敏度为0.267 pm/℃。该光栅具有较低的温度响应,因此可以降低应变传感中温度引起的交叉敏感。(4)研究由柚子型微结构光纤两端错位熔接单模光纤构造光纤马赫-曾德干涉仪的一维微弯曲传感特性。利用FEM模拟这种光纤的模场分布和色散特性,及实验研究不同长度的微结构光纤构造的马赫-曾德干涉仪的光谱特性,理论与实验验证这种干涉仪由LP01和LP11模式干涉所产生。实验观察长度为3.4 cm的马赫-曾德干涉仪对微弯曲、温度与环境折射率的传感特性,得到1513.67 nm处的干涉峰的0度和180度方向微弯曲灵敏度分别为0.441 nm/m-1和-0.754 nm/m-1;温度灵敏度在1513.67 nm波长处为-8.9pm/℃。对0度和180度方向弯曲方向的温度串扰分别为2.02?10-2 m-1/℃和1.18?10-2m-1/℃。而环境折射率的变化导致该干涉仪干涉峰的响应较低,因此,在测量中可以降低微弯曲传感中温度与环境折射率引起的交叉敏感。
【关键词】：光纤传感 微结构光纤 长周期光纤光栅 马赫-曾德干涉仪
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.3;TN253
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 光纤传感器的分类10-14
• 1.2 光纤传感器研究状况14-17
• 1.2.1 光纤光栅15-16
• 1.2.2 光纤马赫-曾德干涉仪16-17
• 1.3 本论文的主要内容17-18
• 第2章 微结构光纤及有限元分析方法简介18-24
• 2.1 微结构光纤简介18-19
• 2.2 有限元分析方法简介19-22
• 2.3 本章小结22-24
• 第3章 全固态光子带隙光纤的长周期光纤光栅传感特性24-40
• 3.1 全固态光子带隙光纤(AS-PBGF)的特性24-28
• 3.2 高频CO2激光刻写LPFG的特性28
• 3.3 高频CO2激光刻写AS-PBGF-LPFG的特性28-30
• 3.4 AS-PBGF-LPFG传感特性研究30-38
• 3.4.1 AS-PBGF-LPFG的应变特性30-33
• 3.4.2 AS-PBGF-LPFG的折射率特性33-36
• 3.4.3 AS-PBGF-LPFG的温度特性36-37
• 3.4.4 AS-PBGF-LPFG的扭曲特性37-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 飞秒激光刻写GMF-LPFG及其传感特性40-56
• 4.1 飞秒激光微加工的特点40-42
• 4.2 飞秒激光微加工系统及光栅刻写程序42-44
• 4.3 飞秒激光刻写LPFG的特性44-49
• 4.4 飞秒激光刻写GMF-LPFG的特性49-52
• 4.5 GMF-LPFG的应变与温度传感特性研究52-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 柚子型微结构光纤马赫-曾德干涉仪56-66
• 5.1 柚子型微结构光纤马赫-曾德干涉仪的结构及制作56-57
• 5.2 柚子型微结构光纤马赫-曾德干涉仪的光谱分析57-60
• 5.3 柚子型微结构光纤马赫-曾德干涉仪的传感特性60-65
• 5.3.1 光纤马赫-曾德干涉仪的微弯曲特性60-63
• 5.3.2 光纤马赫-曾德干涉仪的温度特性63-64
• 5.3.3 光纤马赫-曾德干涉仪的折射率特性64-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第6章 总结与展望66-68
• 6.1 主要工作的总结66
• 6.2 未来工作展望66-68
• 参考文献68-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士学位期间的研究成果77-79
• 攻读硕士学位期间所获奖励79-80

【共引文献】

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本文编号：1042700