集成微透镜的光纤微腔结构制备及曲率传感特性研究
发布时间：2021-10-28 14:03
光纤曲率传感器在交通运输、建筑结构检测等领域中得到广泛的研究和应用。其传感的主要原理是当光纤发生弯曲时,通过传感器结构输出光强度的改变或者光谱波长的漂移从而实现对曲率的传感。根据传感器的干涉类型来分类,目前主要存在四种类型的光纤型曲率传感器。一种是基于光栅型光纤曲率传感器,主要分为布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅型曲率传感器。其余三种均是基于干涉原理来分类的,主要包括法布里-珀罗干涉型结构、萨格奈克型干涉结构和马赫曾德尔干涉型传感结构。其中,基于全光纤结构的马赫-曾德干涉仪具有简单的结构和熔接方法、波长测量范围大等优点,是光纤传感领域中的一个重要的研究方向并取得了许多成果。本论文提出一种基于光纤内集成微透镜式的全光纤曲率传感结构。理论方面,首先总结了光纤微透镜的光耦合理论,建立了光纤内集成微透镜结构模型,并制备出球形和D形两种光纤微透镜结构,该结构制备简单,可重复性好。理论计算比较了微透镜结构和平端单模光纤输出光线的发散角,并实验验证了所制备的微透镜结构具有准直的效果。利用仿真软件得到了马赫曾德干涉谱。随后通过比较输入端单模光纤的发散角和干涉结构的接收角,论证了由于光纤微透镜结构的存在,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混合周期性光栅结构示意图[38]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文32011年，CarletonUniversity的ShaoLY[38]等人，采用相位掩模技术和振幅掩模技术，在一段单模光纤上分别制备了倾斜布拉格光栅(tiltedfiberBraggGrating，TFBG)和长周期光栅(longperiodgrating，LPGs)混合结构用于曲率测量。其中，TFBG的倾角为2、周期长度为375um；LPGs的周期为377um，光栅总长均为20mm。结构如图1-1所示，实验表明，在0—7.2m-1曲率范围内，该结构曲率灵敏度最大可达2.36dB/m-1。图1-1混合周期性光栅结构示意图[38]2016年，西北大学的FengD[39]等人，利用传统的紫外光刻法，在一根标准单模光纤上刻写离轴光纤布拉格光栅，设计并制作了一种光纤曲率传感器，结构如图1-2所示。与之前传统的布拉格光栅或倾斜布拉格光栅相比，离轴刻写的方式大大增加了该结构对弯曲方向的灵敏度，同时也可以根据不同灵敏度判断弯曲方向。实验表明，该传感器在0—1.1m-1曲率范围内，在不同的方向弯曲，其灵敏度范围为+1.17dB/m-1—-1.25dB/m-1。图1-2离轴刻写光栅曲率传感器装置图与光纤光栅结构示意图[39]同年，华中科技大学的NiW[40]等人，利用二氧化碳激光器，在一根长度为27cm、直径为80um的细芯光纤上，采用逐点写入法，在其一侧刻入长周期光栅。光栅一共有60个周期，每个周期长度为500um。图1-3表示二氧化碳激光器刻写长周期光栅装置。实验测得，该传感器在0.45—0.85m-1曲率范围内，曲率灵敏度最大可达28.8dB/m-1。
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文4图1-3激光器在细芯光纤上刻写长周期光栅装置与长周期光纤光栅结构示意图[40]2017年，南开大学的王标[41]等人，设计并制作一种基于失配型双芯光纤的曲率传感器，利用高频二氧化碳激光单侧曝光技术，在双芯光纤纤芯上写入了相同周期、相同长度的长周期光栅。该结构可以实现纤芯模与包层模、以及两个纤芯模式之间的耦合。结构如图1-4所示。实验表明，在0—1.235m-1曲率范围内进行测量，当垂直光纤轴向上弯曲时，传感器灵敏度为2.37nm/m-1；当垂直光纤轴向下弯曲时，传感器灵敏度为1.80nm/m-1。图1-4双芯光纤上刻写长周期光栅曲率传感器结构示意图[41]2018年，西南交通大学的郑狄[42]等人，设计了一种多芯光纤布拉格光栅曲率传感器，并采用匹配滤波技术实现曲率解调。文章采用的七芯光纤，结构如图1-5a)所示。包层直径为125um，除中心的一个纤芯外，另外６个纤芯围绕中心纤芯呈六边形排列，各纤芯之间的距离为35um。采用连续的244nm倍频氩离子激光器，在七个纤芯中同时写入布拉格光纤，选取任意两个相对于中心纤芯对称的布拉格光纤作为曲率解调所需的匹配光栅对。传感器结构如图1-5b)所示。实验测得，该传感器在0—2.5m-1曲率范围内，曲率灵敏度最大可达0.78mW/m-1。图1-5多芯光纤布拉格光栅曲率传感器[42]图1-5a)七芯光纤截面图b)传感器结构示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器[J]. 曲道明,孙广开,孟凡勇,宋言明,祝连庆. 仪器仪表学报. 2019(01)
[2]A double-cladding fiber curvature sensor based on the extrinsic Fabry-Perot interferometer[J]. 付兴虎,王东,刘连旭,刘凡,温晶,付广伟,毕卫红. Optoelectronics Letters. 2019(01)
[3]基于SPS光纤结构的高灵敏度曲率传感器[J]. 陆杭林,胡君辉. 激光与光电子学进展. 2019(08)
[4]基于相位解调的双光束薄膜干涉型光纤传声器[J]. 周瑜,刘超,王坤博,魏晓村. 光学学报. 2019(01)
[5]基于3×3迈克耳孙干涉仪的四路检测相位解调Φ-OTDR[J]. 宋牟平,尹聪,陆燕,朱伟基,吴媖,庄守望. 光学学报. 2018(08)
[6]基于匹配滤波解调的多芯Bragg光栅曲率传感器[J]. 郑狄,潘炜,Sales Salvador. 光学学报. 2018(03)
[7]失配型双芯长周期光纤光栅弯曲矢量传感[J]. 王标,庞璐,张伟刚,梁小红,宁鼎,耿鹏程. 光子学报. 2017(10)
[8]基于侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围弯曲传感器的研究[J]. 娄淑琴,王鑫,尹国路,韩博琳. 物理学报. 2013(19)
[9]基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统设计[J]. 马宾,隋青美. 传感技术学报. 2010(08)
[10]光纤Bragg光栅流量传感器[J]. 胡玉瑞,唐源宏,李川. 传感技术学报. 2010(04)
本文编号：3462914
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
混合周期性光栅结构示意图[38]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文32011年，CarletonUniversity的ShaoLY[38]等人，采用相位掩模技术和振幅掩模技术，在一段单模光纤上分别制备了倾斜布拉格光栅(tiltedfiberBraggGrating，TFBG)和长周期光栅(longperiodgrating，LPGs)混合结构用于曲率测量。其中，TFBG的倾角为2、周期长度为375um；LPGs的周期为377um，光栅总长均为20mm。结构如图1-1所示，实验表明，在0—7.2m-1曲率范围内，该结构曲率灵敏度最大可达2.36dB/m-1。图1-1混合周期性光栅结构示意图[38]2016年，西北大学的FengD[39]等人，利用传统的紫外光刻法，在一根标准单模光纤上刻写离轴光纤布拉格光栅，设计并制作了一种光纤曲率传感器，结构如图1-2所示。与之前传统的布拉格光栅或倾斜布拉格光栅相比，离轴刻写的方式大大增加了该结构对弯曲方向的灵敏度，同时也可以根据不同灵敏度判断弯曲方向。实验表明，该传感器在0—1.1m-1曲率范围内，在不同的方向弯曲，其灵敏度范围为+1.17dB/m-1—-1.25dB/m-1。图1-2离轴刻写光栅曲率传感器装置图与光纤光栅结构示意图[39]同年，华中科技大学的NiW[40]等人，利用二氧化碳激光器，在一根长度为27cm、直径为80um的细芯光纤上，采用逐点写入法，在其一侧刻入长周期光栅。光栅一共有60个周期，每个周期长度为500um。图1-3表示二氧化碳激光器刻写长周期光栅装置。实验测得，该传感器在0.45—0.85m-1曲率范围内，曲率灵敏度最大可达28.8dB/m-1。
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文4图1-3激光器在细芯光纤上刻写长周期光栅装置与长周期光纤光栅结构示意图[40]2017年，南开大学的王标[41]等人，设计并制作一种基于失配型双芯光纤的曲率传感器，利用高频二氧化碳激光单侧曝光技术，在双芯光纤纤芯上写入了相同周期、相同长度的长周期光栅。该结构可以实现纤芯模与包层模、以及两个纤芯模式之间的耦合。结构如图1-4所示。实验表明，在0—1.235m-1曲率范围内进行测量，当垂直光纤轴向上弯曲时，传感器灵敏度为2.37nm/m-1；当垂直光纤轴向下弯曲时，传感器灵敏度为1.80nm/m-1。图1-4双芯光纤上刻写长周期光栅曲率传感器结构示意图[41]2018年，西南交通大学的郑狄[42]等人，设计了一种多芯光纤布拉格光栅曲率传感器，并采用匹配滤波技术实现曲率解调。文章采用的七芯光纤，结构如图1-5a)所示。包层直径为125um，除中心的一个纤芯外，另外６个纤芯围绕中心纤芯呈六边形排列，各纤芯之间的距离为35um。采用连续的244nm倍频氩离子激光器，在七个纤芯中同时写入布拉格光纤，选取任意两个相对于中心纤芯对称的布拉格光纤作为曲率解调所需的匹配光栅对。传感器结构如图1-5b)所示。实验测得，该传感器在0—2.5m-1曲率范围内，曲率灵敏度最大可达0.78mW/m-1。图1-5多芯光纤布拉格光栅曲率传感器[42]图1-5a)七芯光纤截面图b)传感器结构示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器[J]. 曲道明,孙广开,孟凡勇,宋言明,祝连庆. 仪器仪表学报. 2019(01)
[2]A double-cladding fiber curvature sensor based on the extrinsic Fabry-Perot interferometer[J]. 付兴虎,王东,刘连旭,刘凡,温晶,付广伟,毕卫红. Optoelectronics Letters. 2019(01)
[3]基于SPS光纤结构的高灵敏度曲率传感器[J]. 陆杭林,胡君辉. 激光与光电子学进展. 2019(08)
[4]基于相位解调的双光束薄膜干涉型光纤传声器[J]. 周瑜,刘超,王坤博,魏晓村. 光学学报. 2019(01)
[5]基于3×3迈克耳孙干涉仪的四路检测相位解调Φ-OTDR[J]. 宋牟平,尹聪,陆燕,朱伟基,吴媖,庄守望. 光学学报. 2018(08)
[6]基于匹配滤波解调的多芯Bragg光栅曲率传感器[J]. 郑狄,潘炜,Sales Salvador. 光学学报. 2018(03)
[7]失配型双芯长周期光纤光栅弯曲矢量传感[J]. 王标,庞璐,张伟刚,梁小红,宁鼎,耿鹏程. 光子学报. 2017(10)
[8]基于侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围弯曲传感器的研究[J]. 娄淑琴,王鑫,尹国路,韩博琳. 物理学报. 2013(19)
[9]基于光纤微弯传感器的汽车动态称重系统设计[J]. 马宾,隋青美. 传感技术学报. 2010(08)
[10]光纤Bragg光栅流量传感器[J]. 胡玉瑞,唐源宏,李川. 传感技术学报. 2010(04)
本文编号：3462914
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