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基于耦合模理论的光纤LP_(21)模式的扭转与弯曲特性研究

袁余锋  
【摘要】:光纤在通信领域与传感领域中发挥了重要的作用,从上个世纪60年代发明光纤到现在,人类一直没有停止过研究的步伐。光纤以它内部传导的光纤模式来传递外部信息,不同光纤模式有着各自不同的性质,本文以光纤中传导的一个低阶多模——LP2,模式作为研究对象,来探寻它在光纤发生扭转与弯曲时的传输特性。本文首次在实验上发现并从理论上证明了LP2,模式的扭转线性与弯曲无关性的特性,即当光纤发生扭转应变时,由于几何效应和弹光效应的综合作用,LP2,模式的光斑将绕着中心旋转,并且旋转的角度与光纤扭转角度比值为0.9112,而当光纤发生弯曲应变时,LP2,模式的光斑将保持原来的形状,既不旋转也不变形。LP2,模式的这两个特性非常合适用于设计光纤光斑图形传感器(Fiber Specklegram Sensors, FSS)。本文丰富了光纤模式的研究,为研究类似的光纤低阶多模提供了新的思路,同时也为光纤光斑传感器设计提供了一个非常好的材料与思路。 本文主要从理论和实验两个方面对LP21模式的扭转与弯曲特性进行了系统深入的研究,主要完成了以下几部分的内容: 首先,本文对光纤模式理论与光纤耦合模理论作了简单的介绍,包括光纤常见模式以及选择性激发各类模式的方法,耦合模理论的原理及在单模偏振研究中的应用,光纤光斑图像传感器的设计思路与常见方案。 其次,本文从理论上推导了LP2,模式在光纤扭转与弯曲时的特性,主要包括LP2,模式的具体表达式与激发条件,弹光效应的求解,耦合模理论的详细应用以及在Maple软件中的计算过程。 接着,本文设计了三组实验来探索与验证LP2,模式的扭转与弯曲特性,主要包括光纤扭转、光纤弯曲、中间光纤扭转三个实验方案,同时也介绍了数据采集方法。 再者,本文对实验中采集数据的整理与分析方法进行了介绍,包括图像获取方式、数据处理方法、软件拟合方法以及传感器设计思路等内容。 最后,对本文研究的内容与意义做了简单的总结与展望。


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