基于模式干涉的少模光纤传感器研究
发布时间：2022-01-01 00:59
传感器作为通向现实世界的接口以及物联网中的关键的组成部分,在生活中发挥着越来越重要的作用。随着时代的发展,人类社会对传感器提出了越来越高的要求。为了提高传感器的灵敏程度,研究人员对传感部分进行了大量的探索与改进。近年来,光纤传感器由于其独特的优势,如抗干扰能力强、灵敏度高、成本低、体积小、便于铺设等,应用于航天、工业、探测、医疗等社会的各个领域。对于少模光纤传感器,由于其灵敏度高,且干涉模式较少,干涉形状简单,容易分辨和应用。因此,研究基于少模光纤的传感器具有重要的意义。为了研究在不同模式干涉情况下构成的传感器的灵敏程度与其构成模式的对应关系,从而为设计出灵敏度更高的传感器提供新的思路,本文在对少模光纤的模式分析及模式干涉型传感器中的马赫-曾德尔传感器的基本原理基础之上,研究了不同模式构成的干涉型少模光纤传感器的温度、折射率和曲率的相关特性。本文的主要工作如下:首先,分析了少模光纤传感器的国内外研究现状,介绍了少模光纤的模式理论以及本文中所采用少模光纤的主要参数及折射率分布情况。其次,我们对模式干涉传感器的种类进行了介绍,阐述了采用少模光纤搭建的其中的马赫-曾德尔传感器的干涉原理,即本...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤结构示意图
第2章模式干涉型传感器原理9表2.2LPmn模式色散方程模式种类特征方程对应矢量模式LP0mHE1mLP1mTM0m、TE0m、HE2mLPmnEHm-1,n、HEm+1,n光纤中能传输的模式数量由其归一化频率V决定，模式数量随V值增大而增多。定义…………………………(2.18)得……………………(2.19)λ为工作波长，n1和n2分别为纤芯和包层的折射率。每个模式都有属于自己的截止频率Vc。当光纤的归一化频率V大于某模式的截止频率Vc,该模式便可以在该光纤中传输，反之则不能传输[37]。因此，V的大小决定了光纤中所能容纳模式的数量以及种类，是光纤的重要参数。我们在排列模式的序数时，也往往根据此来定义。归一化截止频率及传播常数关系如图2.2所示图2.2归一化频率与传播常数关系图0011()()()()JUKWUJUWKW=1100()()()()JUKWUJUWKW=1111()()()()mmJUKWUJUWKW=222222212V=U+W=ka(nn）22122=aVnn
吉林大学硕士学位论文12种，分别是阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤[40]图2.4为阶跃折射率光纤折射率分布图，纤芯及包层折射率呈垂直分布状且均匀分布，折射率在由纤芯到包层的部分产生突变。在光路进行传输时，光线在纤芯和包层的交界处不断产生全反射，从而进行传输。各模式传输路径如图2.5所示，由于各模式的传播路径不同，到达输出端时间也有所不同，因此可能会产生时延差，增大光纤的模间色散。这种光纤不适宜用于长距离传输，可用于短距离的通信。图2.4阶跃折射率光纤折射率分布图图2.5阶跃折射率光纤中光线传播情况如图2.6所示为渐变折射率光纤折射率分布图，纤芯折射率呈抛物线式渐变分布，逐渐递减至包层。该种光纤可以有效自聚焦而不产生模式色散。渐变折射率光纤内部光线传播路径如图2.7所示，沿着轴线传播的光路速度最慢，与轴线呈一定角度的光路走的距离越长，传播速度越快，以保证各光路同时到达输出端。该种光纤有利于光路的长距离传输，但由于其工艺较为复杂，尚未得到广泛使用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]以波动光学模块为例探究COMSOL在教学改革中的应用[J]. 吴宏伟,方羽,权家琪. 科教文汇(下旬刊). 2019(09)
[2]同时测量曲率和温度的高灵敏度光纤传感器[J]. 刘理,吴官权,漆世锴,曾伟,毛莉莉. 传感器与微系统. 2019(10)
[3]基于迈克尔逊干涉仪的光纤微流速传感器[J]. 李永超,温晓东,谭竣耀,吕慧君. 光学技术. 2019(03)
[4]基于马赫-曾德干涉的保偏光纤扭曲传感器研究[J]. 路艳芳,楼伟民,申屠锋营,王友清,沈常宇. 光电子·激光. 2018(01)
[5]无线传感器网络的关键技术及其在物联网中的应用[J]. 夏承龙. 通讯世界. 2017(21)
[6]基于LP01和LP11模式干涉的少模光纤温度传感器[J]. 刘强,毕卫红,王思文,吕欣,付兴虎,付广伟. 光学学报. 2018(02)
[7]基于球形结构和少模光纤的干涉型温度传感器[J]. 仲怡美,孟昭,王雪,童峥嵘. 光通信技术. 2017(08)
[8]迈克尔逊干涉仪测量空气折射率随温度变化[J]. 孙凡. 电子测试. 2017(08)
[9]基于光纤法布里——珀罗干涉仪的温度传感器[J]. 段丹阳,程进,高然,逯丹凤,祁志美. 传感器与微系统. 2017(04)
[10]基于模间干涉原理的少模光纤传感器[J]. 韩学文,贾东方,王肇颖,葛春风,杨天新. 光通信技术. 2017(04)
博士论文
[1]基于少模光纤的模式转换器和光纤激光器的研究[D]. 姚树智.北京交通大学 2019
[2]新型模式干涉光纤传感器及保偏光纤特性的研究[D]. 董常彬.北京交通大学 2019
[3]少模光纤模式传输与传感特性研究[D]. 刘强.燕山大学 2018
硕士论文
[1]基于光子灯笼的模分复用系统实验研究[D]. 陈嘉轲.吉林大学 2019
[2]基于COMSOL的电磁搅拌器有限元分析及其控制系统的研究[D]. 公伟凯.上海电机学院 2019
[3]粗锥型少模光纤传感器的制备及其应变特性研究[D]. 王思文.燕山大学 2018
[4]基于多模干涉型光纤传感器的葡萄糖传感特性研究[D]. 赵成海.中南林业科技大学 2018
[5]保偏光纤应力传感及保偏光纤萨格奈克干涉仪研究[D]. 张显峰.北京交通大学 2017
[6]基于多模光纤模间干涉的传感与解调特性研究[D]. 任乃奎.哈尔滨理工大学 2017
[7]级联型少模光纤传感器的制备及其特性研究[D]. 张顺杨.燕山大学 2016
[8]基于双芯光纤的马赫—曾德尔干涉仪特性及应力传感研究[D]. 白霄.北京交通大学 2016
[9]基于干涉原理和布拉格光栅的光纤传感器研究[D]. 王坤.安徽大学 2015
[10]基于SMS结构的腐蚀型光纤传感器的实验研究[D]. 杨娇.天津理工大学 2014
本文编号：3561336
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤结构示意图
第2章模式干涉型传感器原理9表2.2LPmn模式色散方程模式种类特征方程对应矢量模式LP0mHE1mLP1mTM0m、TE0m、HE2mLPmnEHm-1,n、HEm+1,n光纤中能传输的模式数量由其归一化频率V决定，模式数量随V值增大而增多。定义…………………………(2.18)得……………………(2.19)λ为工作波长，n1和n2分别为纤芯和包层的折射率。每个模式都有属于自己的截止频率Vc。当光纤的归一化频率V大于某模式的截止频率Vc,该模式便可以在该光纤中传输，反之则不能传输[37]。因此，V的大小决定了光纤中所能容纳模式的数量以及种类，是光纤的重要参数。我们在排列模式的序数时，也往往根据此来定义。归一化截止频率及传播常数关系如图2.2所示图2.2归一化频率与传播常数关系图0011()()()()JUKWUJUWKW=1100()()()()JUKWUJUWKW=1111()()()()mmJUKWUJUWKW=222222212V=U+W=ka(nn）22122=aVnn
吉林大学硕士学位论文12种，分别是阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤[40]图2.4为阶跃折射率光纤折射率分布图，纤芯及包层折射率呈垂直分布状且均匀分布，折射率在由纤芯到包层的部分产生突变。在光路进行传输时，光线在纤芯和包层的交界处不断产生全反射，从而进行传输。各模式传输路径如图2.5所示，由于各模式的传播路径不同，到达输出端时间也有所不同，因此可能会产生时延差，增大光纤的模间色散。这种光纤不适宜用于长距离传输，可用于短距离的通信。图2.4阶跃折射率光纤折射率分布图图2.5阶跃折射率光纤中光线传播情况如图2.6所示为渐变折射率光纤折射率分布图，纤芯折射率呈抛物线式渐变分布，逐渐递减至包层。该种光纤可以有效自聚焦而不产生模式色散。渐变折射率光纤内部光线传播路径如图2.7所示，沿着轴线传播的光路速度最慢，与轴线呈一定角度的光路走的距离越长，传播速度越快，以保证各光路同时到达输出端。该种光纤有利于光路的长距离传输，但由于其工艺较为复杂，尚未得到广泛使用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]以波动光学模块为例探究COMSOL在教学改革中的应用[J]. 吴宏伟,方羽,权家琪. 科教文汇(下旬刊). 2019(09)
[2]同时测量曲率和温度的高灵敏度光纤传感器[J]. 刘理,吴官权,漆世锴,曾伟,毛莉莉. 传感器与微系统. 2019(10)
[3]基于迈克尔逊干涉仪的光纤微流速传感器[J]. 李永超,温晓东,谭竣耀,吕慧君. 光学技术. 2019(03)
[4]基于马赫-曾德干涉的保偏光纤扭曲传感器研究[J]. 路艳芳,楼伟民,申屠锋营,王友清,沈常宇. 光电子·激光. 2018(01)
[5]无线传感器网络的关键技术及其在物联网中的应用[J]. 夏承龙. 通讯世界. 2017(21)
[6]基于LP01和LP11模式干涉的少模光纤温度传感器[J]. 刘强,毕卫红,王思文,吕欣,付兴虎,付广伟. 光学学报. 2018(02)
[7]基于球形结构和少模光纤的干涉型温度传感器[J]. 仲怡美,孟昭,王雪,童峥嵘. 光通信技术. 2017(08)
[8]迈克尔逊干涉仪测量空气折射率随温度变化[J]. 孙凡. 电子测试. 2017(08)
[9]基于光纤法布里——珀罗干涉仪的温度传感器[J]. 段丹阳,程进,高然,逯丹凤,祁志美. 传感器与微系统. 2017(04)
[10]基于模间干涉原理的少模光纤传感器[J]. 韩学文,贾东方,王肇颖,葛春风,杨天新. 光通信技术. 2017(04)
博士论文
[1]基于少模光纤的模式转换器和光纤激光器的研究[D]. 姚树智.北京交通大学 2019
[2]新型模式干涉光纤传感器及保偏光纤特性的研究[D]. 董常彬.北京交通大学 2019
[3]少模光纤模式传输与传感特性研究[D]. 刘强.燕山大学 2018
硕士论文
[1]基于光子灯笼的模分复用系统实验研究[D]. 陈嘉轲.吉林大学 2019
[2]基于COMSOL的电磁搅拌器有限元分析及其控制系统的研究[D]. 公伟凯.上海电机学院 2019
[3]粗锥型少模光纤传感器的制备及其应变特性研究[D]. 王思文.燕山大学 2018
[4]基于多模干涉型光纤传感器的葡萄糖传感特性研究[D]. 赵成海.中南林业科技大学 2018
[5]保偏光纤应力传感及保偏光纤萨格奈克干涉仪研究[D]. 张显峰.北京交通大学 2017
[6]基于多模光纤模间干涉的传感与解调特性研究[D]. 任乃奎.哈尔滨理工大学 2017
[7]级联型少模光纤传感器的制备及其特性研究[D]. 张顺杨.燕山大学 2016
[8]基于双芯光纤的马赫—曾德尔干涉仪特性及应力传感研究[D]. 白霄.北京交通大学 2016
[9]基于干涉原理和布拉格光栅的光纤传感器研究[D]. 王坤.安徽大学 2015
[10]基于SMS结构的腐蚀型光纤传感器的实验研究[D]. 杨娇.天津理工大学 2014
本文编号：3561336
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