基于光纤微球与锥形光纤的微结构传感特性研究
发布时间：2021-08-27 18:07
在当今信息化、智能化的时代,对信息的传输、感知、提取是必不可少的环节,而传感技术则为这些环节的正常运转做有力支撑。以光波作为信号的载体,将光纤作为光波的传输媒质和检测外界参量变化的新型光纤传感技术在生物、医疗、军事、煤矿、石油管道、智能结构、大型建筑物结构健康检测等领域有着重要的应用。本文基于光纤微球的耦合特性、分光合光特性及锥形光纤的强倏逝场特性开发新型、低成本、易制作、高性能的光纤传感器。本文主要工作如下:1.介绍光纤传感器的背景、分类、应用。总结光纤传感器检测微位移、温度、折射率、液位等参量的最新进展,分析了其优点与目前存在的不足。推导光纤传感器的基础理论,为本文设计的新型光纤传感器的工作原理提供合理的理论解释。2.设计了一种基于单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）端面微球耦合的微位移传感器。阐述了光纤微球的制作方法并实验证实光纤微球的高耦合特性。光纤端面微球就相当于一个透镜,对光有一定的会聚作用,提高了光纤的耦合效率,增加了测量范围。实验结果表明:在室温下,0μm-3725μm的位移变化范围内该传感器的灵敏度为0.00401 dBm/μm。3.设计了一种基于光...
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
丁达尔实验装置图
1.绪论4该传感器最大高灵敏度为-0.385dB/μm[44]。2015年，QiWang等人，基于光纤双环耦合谐振腔的光减速技术，设计了一种基于环路损耗和弯曲损耗调制器的微位移传感器，如图1.2所示。实验结果表明：该传感器在0μm-350μm位移检测范围内，位移灵敏度为50ns/mm，位移分辨率为2μm[45]。图1.2光纤双环耦合谐振器微位移测量的实验装置[45]2016年，ChiWang等人研究了一种基于超小型自聚焦光纤探头的新型集成光纤干涉仪测量微位移的方法。提出集成光纤干涉仪的结构模型，建立集成光纤干涉仪的硬件系统。实验结果表明：在给定的实验条件下，该传感器的线性测量范围、线性度和灵敏度分别为10μm、1.36%和8.8mv/μm[46]。2017年，ZongdaZhu等人提出并实现一种基于SPR的光纤微位移传感器。利用光纤抛模技术在渐变折射率多模光纤(Gradedindexmultimodefiber,GIMMF)上制作一个Kretschmann结构并镀上金膜，产生SPR效应。移动SMF来改变入射光束的径向位置，导致共振波长发生漂移，根据共振波长的漂移量可以反演出微位移的变化量。该光纤微位移传感器的检测范围为0μm-25μm，最大灵敏度为-10.32nm/μm和最小分辨率为2nm[47]。2018年，Yong-SikKim等人提出利用抛光光纤和调制激光光源测量MEMS器件位移的法布里-珀罗干涉位移传感器。抛光光纤和MEMS器件的侧壁构成传感器的法布里-珀罗腔。该传感器采用正弦相位调制和极值点搜索算法，能够实时测量大于激光波长的位移。实验结果表明：该位移传感器具有测量位移大于3μm的能力，测量精度小于35nm[48]。2019年，YueWu等人将气球型干涉仪与光纤布拉格光栅（FiberBragggrating,
1.绪论6包层模的共振波谷，折射率和温度的灵敏度分别为44.69nm/RIU和38.6pm/℃、72.21nm/RIU和32.1pm/℃[57]。PengchengChen等人利用飞秒激光在标准SMF端面附近的纤芯中引入折射率可变点，提出了一种用于高温测量的光纤法布里-珀罗探针传感器。在100℃-500℃和500-1000℃范围内其灵敏度分别为13.9pm/℃和18.6pm/℃[58]。2019年，ZilongLiu等人基于光纤的MZI和一个结型微环谐振器制成温度传感器，将带结型微环谐振器嵌入聚二甲基硅氧烷中作为温度传感。由于聚二甲基硅氧烷的热光系数较高，当环境温度升高，传感器干涉谱蓝移，其灵敏度为-35.12pm/℃[59]。XirenJin等人利用CO2激光器弱功率调制的锥形长周期光纤光栅可以同时测量应变和温度。其透射谱中出现了两个峰，表现出不同的灵敏度，两个峰值的应变敏感度分别为1.82pm/με和8.17pm/με,温度灵敏度分别为47.9pm/℃和65pm/℃[60]。1.3.3光纤折射率传感器的研究现状2015年，YongZhao等人提出了在两个SMF之间以微小的芯偏移拼接光子晶体光纤（Pohotoniccrystalfiber，PCF）形成MZI，来检测折射率（如图1.3所示）。在1.333-1.379折射率范围内，折射率传感器的灵敏度达252nm/RIU[61]。图1.3PCF干涉仪传感原理图[61]2016年，AhmedFarid等人提出一种用于增强折射率传感的微缩TPCF的MZI，在1.3327-1.3634、1.3634-1.3917、1.3917-1.4204的折射率范围内，直径65μm、长度3.8mm的MZI的折射率灵敏度分别为334.03nm/RIU、673.91nm/RIU、1426.70nm/RIU[62]。2017年，Duanliangcheng等人在空芯光纤上镀金膜，通过SPR效应提高传感器的灵敏度。在1.27-1.45的大折射率范围内，折射率传感器的灵敏度为
【参考文献】：
期刊论文
[1]Intensity modulated silver coated glass optical fiber refractive index sensor[J]. Zahra Samavati,Alireza Samavati,A.F.Ismail,Mukhlis A.Rahman,M.H.D.Othman. Chinese Optics Letters. 2018(09)
[2]U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器设计[J]. 李明昊,程琳,李亚明,马钰明,杨杰. 光学学报. 2018(06)
[3]中国光纤传感40年[J]. 廖延彪,苑立波,田芊. 光学学报. 2018(03)
[4]同时测量温度和折射率的光纤传感器[J]. 马启飞,倪凯,黄然. 光电子·激光. 2017(02)
[5]基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器[J]. 蒋友华,傅海威,丁继军,张静乐,乔学光. 应用光学. 2017(01)
[6]光纤激光传感系统的研究进展[J]. 裴丽,翁思俊,吴良英,王建帅,刘超. 中国激光. 2016(07)
[7]光纤通信的过去、现在和未来[J]. 赵梓森. 光学学报. 2011(09)
[8]光纤干涉仪消光比调谐方法[J]. 缪凯,刘波,林炜,郭澎,王炜男. 激光与光电子学进展. 2011(04)
[9]高分辨率光纤激光传感系统[J]. 肖浩,李芳,王永杰,刘丽辉,刘育梁. 中国激光. 2008(01)
[10]高速光纤通信系统中抑制偏振模色散的新机制[J]. 王岚,赵文玉,王宏祥,纪越峰. 光学学报. 2003(06)
硕士论文
[1]基于花生型熔接的模式干涉传感器的研究[D]. 杨效.中国计量学院 2014
本文编号：3366837
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
丁达尔实验装置图
1.绪论4该传感器最大高灵敏度为-0.385dB/μm[44]。2015年，QiWang等人，基于光纤双环耦合谐振腔的光减速技术，设计了一种基于环路损耗和弯曲损耗调制器的微位移传感器，如图1.2所示。实验结果表明：该传感器在0μm-350μm位移检测范围内，位移灵敏度为50ns/mm，位移分辨率为2μm[45]。图1.2光纤双环耦合谐振器微位移测量的实验装置[45]2016年，ChiWang等人研究了一种基于超小型自聚焦光纤探头的新型集成光纤干涉仪测量微位移的方法。提出集成光纤干涉仪的结构模型，建立集成光纤干涉仪的硬件系统。实验结果表明：在给定的实验条件下，该传感器的线性测量范围、线性度和灵敏度分别为10μm、1.36%和8.8mv/μm[46]。2017年，ZongdaZhu等人提出并实现一种基于SPR的光纤微位移传感器。利用光纤抛模技术在渐变折射率多模光纤(Gradedindexmultimodefiber,GIMMF)上制作一个Kretschmann结构并镀上金膜，产生SPR效应。移动SMF来改变入射光束的径向位置，导致共振波长发生漂移，根据共振波长的漂移量可以反演出微位移的变化量。该光纤微位移传感器的检测范围为0μm-25μm，最大灵敏度为-10.32nm/μm和最小分辨率为2nm[47]。2018年，Yong-SikKim等人提出利用抛光光纤和调制激光光源测量MEMS器件位移的法布里-珀罗干涉位移传感器。抛光光纤和MEMS器件的侧壁构成传感器的法布里-珀罗腔。该传感器采用正弦相位调制和极值点搜索算法，能够实时测量大于激光波长的位移。实验结果表明：该位移传感器具有测量位移大于3μm的能力，测量精度小于35nm[48]。2019年，YueWu等人将气球型干涉仪与光纤布拉格光栅（FiberBragggrating,
1.绪论6包层模的共振波谷，折射率和温度的灵敏度分别为44.69nm/RIU和38.6pm/℃、72.21nm/RIU和32.1pm/℃[57]。PengchengChen等人利用飞秒激光在标准SMF端面附近的纤芯中引入折射率可变点，提出了一种用于高温测量的光纤法布里-珀罗探针传感器。在100℃-500℃和500-1000℃范围内其灵敏度分别为13.9pm/℃和18.6pm/℃[58]。2019年，ZilongLiu等人基于光纤的MZI和一个结型微环谐振器制成温度传感器，将带结型微环谐振器嵌入聚二甲基硅氧烷中作为温度传感。由于聚二甲基硅氧烷的热光系数较高，当环境温度升高，传感器干涉谱蓝移，其灵敏度为-35.12pm/℃[59]。XirenJin等人利用CO2激光器弱功率调制的锥形长周期光纤光栅可以同时测量应变和温度。其透射谱中出现了两个峰，表现出不同的灵敏度，两个峰值的应变敏感度分别为1.82pm/με和8.17pm/με,温度灵敏度分别为47.9pm/℃和65pm/℃[60]。1.3.3光纤折射率传感器的研究现状2015年，YongZhao等人提出了在两个SMF之间以微小的芯偏移拼接光子晶体光纤（Pohotoniccrystalfiber，PCF）形成MZI，来检测折射率（如图1.3所示）。在1.333-1.379折射率范围内，折射率传感器的灵敏度达252nm/RIU[61]。图1.3PCF干涉仪传感原理图[61]2016年，AhmedFarid等人提出一种用于增强折射率传感的微缩TPCF的MZI，在1.3327-1.3634、1.3634-1.3917、1.3917-1.4204的折射率范围内，直径65μm、长度3.8mm的MZI的折射率灵敏度分别为334.03nm/RIU、673.91nm/RIU、1426.70nm/RIU[62]。2017年，Duanliangcheng等人在空芯光纤上镀金膜，通过SPR效应提高传感器的灵敏度。在1.27-1.45的大折射率范围内，折射率传感器的灵敏度为
【参考文献】：
期刊论文
[1]Intensity modulated silver coated glass optical fiber refractive index sensor[J]. Zahra Samavati,Alireza Samavati,A.F.Ismail,Mukhlis A.Rahman,M.H.D.Othman. Chinese Optics Letters. 2018(09)
[2]U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器设计[J]. 李明昊,程琳,李亚明,马钰明,杨杰. 光学学报. 2018(06)
[3]中国光纤传感40年[J]. 廖延彪,苑立波,田芊. 光学学报. 2018(03)
[4]同时测量温度和折射率的光纤传感器[J]. 马启飞,倪凯,黄然. 光电子·激光. 2017(02)
[5]基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器[J]. 蒋友华,傅海威,丁继军,张静乐,乔学光. 应用光学. 2017(01)
[6]光纤激光传感系统的研究进展[J]. 裴丽,翁思俊,吴良英,王建帅,刘超. 中国激光. 2016(07)
[7]光纤通信的过去、现在和未来[J]. 赵梓森. 光学学报. 2011(09)
[8]光纤干涉仪消光比调谐方法[J]. 缪凯,刘波,林炜,郭澎,王炜男. 激光与光电子学进展. 2011(04)
[9]高分辨率光纤激光传感系统[J]. 肖浩,李芳,王永杰,刘丽辉,刘育梁. 中国激光. 2008(01)
[10]高速光纤通信系统中抑制偏振模色散的新机制[J]. 王岚,赵文玉,王宏祥,纪越峰. 光学学报. 2003(06)
硕士论文
[1]基于花生型熔接的模式干涉传感器的研究[D]. 杨效.中国计量学院 2014
本文编号：3366837
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