基于双芯光纤的马赫—曾德尔干涉仪及传感应用

发布时间：2018-07-31 05:11

【摘要】：双芯光纤是一种新型的特种光纤,由于其特殊的折射率分布特性,基于双芯光纤的光纤无源器件广泛应用于光纤通信和传感领域。目前,基于双芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪传感器的制作方法很多,常用的制作方法是熔接机的熔接技术,但是很难实现精密调制,并且在传感应用方面难以实现高精度的传感。本课题组提出利用飞秒激光微加工技术在双芯光纤中制作马赫-曾德尔干涉仪。该技术利用飞秒激光脉冲峰值功率高、脉冲短等特点,在介质表面或者内部产生微米级结构。由于飞秒激光与物质是非线性相互作用,其热影响区域小,加工质量相比于传统加工技术制作的质量高。因此,研究运用飞秒激光微加工技术在双芯光纤中制作马赫-曾德尔干涉仪是一个新型的、非常有意义的课题。本文对基于双芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪进行了理论和实验研究。主要工作和创新性成果如下:(1)、介绍了双芯光纤、光纤马赫-曾德尔干涉仪、飞秒激光微加工技术的应用和研究现状。(2)、设计并搭建了一套飞秒激光微加工系统,该系统主要包括飞秒激光器、分光镜、半玻片、格兰棱镜、反射镜、显微镜系统和高精密三维电移平台等。运用该系统在普通单模光纤、双芯光纤、光子晶体光纤中成功地制作了不同类型的干涉仪,并对基于双芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪进行了探索研究。(3)、利用飞秒激光在双芯光纤上制备开放式微腔型马赫-曾德尔干涉仪,并进行了折射率和温度传感实验,实验测得该传感器有超高的折射率灵敏度为-10981 nm/RIU和超低的温度交叉灵敏度为3.96×10-6 RIU/°C。因此可以忽略温度带来的影响。对该传感器进行理论分析,得到折射率灵敏度为-10690 nm/RIU。由此可知,实验与理论几乎一致。(4)、利用飞秒激光在双芯光纤上制备开放式微腔型马赫-曾德尔干涉仪,并进行了气压传感实验,实验测得该传感器的气压灵敏度为-9.6 nm/MPa。相比于其它传感器,灵敏度提高了一个数量级。通过理论分析可知,引起气压敏感的因素有两个:腔长的变化和腔内空气折射的率改变。进一步利用ANSYS有限元软件模拟仿真该传感器在气压环境下腔长的变化情况。由仿真结果可知:在1 MPa的环境下,微腔的长度增加了0.449nm,导致光谱漂移14 pm。光谱仪最小分辨率为20 pm,无法探测光谱的漂移。因此,可以忽略微腔长度的变化带来的影响。气压的变化引起的空气的折射率的变化成为了气压敏感的主要因素,理论计算气压灵敏度为9.52 nm/MPa,实验与理论一致。(5)、利用飞秒激光在双芯光纤上制备开放式微腔型马赫-曾德尔干涉仪,在干涉仪中填充磁流体后密封在一段玻璃管中。基于磁流体的磁光特性,当外界磁场改变时,磁流体的折射率也相应的改变,从而导致传输光的相位发生变化,传感器探测到这一变化后通过光谱仪转换为光谱的漂移。实验结果表明光谱线性漂移,并且该传感器有超高的磁场灵敏度为-37.1 nm/m T。与其它传感器相比,灵敏度提高了约两个数量级。此外,基于磁流体的热光特性,我们研究了磁流体填充双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度传感特性。实验发现传感器的温度灵敏度提高到纳米量级,灵敏度为1.36 nm/°C。(6)、设计并研制一种基于细芯光纤的迈克尔逊干涉仪,并进行了折射率和温度传感实验。实验发现光谱强度和波长都发生漂移,测得波长和强度灵敏度分别为-72.87nm/RIU(n=1.44)和-208.24 d B/RIU(n=1.44),温度灵敏度为48 pm/°C。如果过采用波长调制会有比较大的温度交叉灵敏度。然而,干涉光谱的强度不会随着温度的变化而变化。因此采用强度调制可以解决温度交叉敏感问题。
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【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

【参考文献】