發(fā)布時(shí)間：2018-06-28 14:03

  本文選題：擴(kuò)徑光纖錐 + 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x��； 參考：《北京交通大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：光纖傳感系統(tǒng)包括以光纖為基礎(chǔ)的光采集、傳輸和處理,相比單純的電信號(hào)傳感,光纖傳感有諸多優(yōu)良的特性。例如,大容量的信息傳輸、抗電磁干擾、更強(qiáng)的抗腐蝕能力、更好的安全性等,這使得光纖傳感已經(jīng)成為現(xiàn)代傳感領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。本文的研究重點(diǎn)集中在基于干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖傳感器設(shè)計(jì)及特性分析,具體研究成果包括以下幾個(gè)方面：(1)提出擴(kuò)徑光纖錐的模型設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)制作。錐型光纖的半徑沿縱向逐漸變化,這必然導(dǎo)致光纖模式之間的功率交換。擴(kuò)徑光纖錐是在光纖上制作半徑大于原有光纖的錐型結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的細(xì)錐相類似,都可以實(shí)現(xiàn)模式間的功率耦合,不同之處在于擴(kuò)徑光纖錐由于光纖半徑的增加而大大增強(qiáng)了其機(jī)械強(qiáng)度,尤其針對(duì)橫向剪切力的抵抗能力有很大提升。以麥克斯韋方程為基礎(chǔ),推導(dǎo)出擴(kuò)徑光纖錐的模場(chǎng)分布規(guī)律以及描述模式間功率轉(zhuǎn)換的耦合模方程,并對(duì)模式間的耦合系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得出更加簡(jiǎn)便的表示形式。擴(kuò)徑光纖錐的制作采用光纖熔接機(jī)對(duì)光纖進(jìn)行熔融,并同時(shí)施加外力以獲得大半徑的光纖錐。(2)提出基于擴(kuò)徑光纖錐的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。在同—根單模光纖中相隔一定光纖長(zhǎng)度制作兩個(gè)擴(kuò)徑光纖錐以構(gòu)成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)證明了該干涉儀作為液位傳感器的可行性,實(shí)驗(yàn)獲得0.2250nm/cm的液位敏感度。利用光纖的彎曲改變其中模式分布及其傳輸常數(shù),使得基于擴(kuò)徑光纖錐的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x在基于光纖彎曲的位移測(cè)量中實(shí)現(xiàn)傳感應(yīng)用。將此干涉儀作為濾波器接入到環(huán)行腔光纖激光器中,獲得輸出激光峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)隨位移的線性變化關(guān)系,其位移測(cè)量敏感度為4.49nm/mm。光纖傳輸模式會(huì)受到外部折射率的影響,特別針對(duì)直徑很細(xì)的光纖,因此,將兩擴(kuò)徑光纖錐之間的光纖拉細(xì)形成啞鈴形的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu),用于折射率測(cè)量可以最大限度的提升其折射率測(cè)量的敏感度,敏感度最大數(shù)值達(dá)到836nm/RIU。(3)提出以干涉儀的光譜條紋寬度來(lái)度量微小位移變化的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。通�；�于串聯(lián)3-dB耦合器的光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x在穩(wěn)定性上很難保證,特別是當(dāng)兩個(gè)光纖臂過(guò)長(zhǎng)時(shí),它們所感應(yīng)到的外部干擾差異極大,導(dǎo)致其傳輸光譜的波動(dòng)十分嚴(yán)重。為了增強(qiáng)該干涉儀的抗干擾能力以適用于環(huán)境參量的測(cè)量,利用光譜干涉條紋寬度隨位移的變化特性來(lái)進(jìn)行傳感應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)中獲得了最高66nm/μm的位移測(cè)量敏感度。(4)提出基于金屬材質(zhì)V型槽的非本征型法布里-珀羅干涉儀。在以光纖為基本結(jié)構(gòu)的溫度傳感器中,多數(shù)依靠光纖自身的熱膨脹系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的敏感性,這大大限制了敏感度的提高。利用熱膨脹系數(shù)更高的金屬材料作為V型槽來(lái)固定光纖法布里-珀羅干涉儀,能夠在溫度變化時(shí)大幅度改變其腔長(zhǎng),進(jìn)而獲得更高的傳感敏感度。在理論和實(shí)驗(yàn)中對(duì)干涉儀的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析,包括：初始腔長(zhǎng)、兩固定點(diǎn)初始距離、V型槽的材料熱膨脹系數(shù)、光纖端面反射率等。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了最大260.7nm/℃的溫度測(cè)量敏感度,這是目前為止發(fā)現(xiàn)的基于光纖結(jié)構(gòu)溫度傳感器的敏感度最大值。
[Abstract]:In this paper , the optical fiber optic cone is designed and fabricated by using the fiber fusion machine . ( 4 ) The non - eigenFabry - Perot interferometer based on V - shaped groove of metal material is proposed . In the temperature sensor with the optical fiber as the basic structure , most of the temperature sensitivity is realized by the coefficient of thermal expansion of the optical fiber itself .
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2078223