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《浙江大学》 2015年
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基于光学加热的新型光纤光栅折射率传感器的研究

张业斌  
【摘要】:光纤光栅是一种重要的光纤型无源器件,它在光纤通信和光纤传感领域均有着非常重要的应用。折射率传感在如环境监测、医学诊断、石油化工等方面应用中都扮演着十分重要的角色,受到了广泛的关注并正处于不断深入的研究之中。本文结合光纤光栅体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、易复用、信号波长调制和易于远程监控等优点并针对现有光纤光栅传感技术的不足,对光纤型折射率传感器进行了研究和创新,研制了新型的基于光纤光栅的温度补偿折射率传感器以及高灵敏度的反射型折射率传感器。论文首先简介了光纤光栅的研究背景及意义,并详细介绍了光纤光栅的发展历程及其在光纤通信和光纤传感系统以及生产生活中的各个领域中的应用,指出了本论文的主要内容和创新。接着简要介绍了各种类型的光纤光栅的折射率调制分布和光谱特征,并从射线理论和耦合模式理论结合光栅的结构模型通过理论计算分析了它们的光谱特征。研究了一种新型的基于光学加热的温度补偿的折射率传感器。论文根据掺钴光纤的损耗特性和机理,将其和光纤光栅结合,通过掺钴光纤中钴离子在泵浦光抽运下非辐射跃迁产生的热量来实现对传感单元光纤光栅的温度补偿,从而消除环境温度变化对折射率测量的影响,实验验证了该传感器的折射率传感特性、温度补偿特性以及波长调节特性,实验结果表明该结构在实现折射率传感的同时可以很好的对外界环境温度的变化进行主动补偿。论文还提出了两种反射式的光纤光栅折射率传感器,反射式折射率传感器由于其可实现探针式传感而在工程应用中具有广泛的需求,论文分别提出了基于掺钴光纤与光纤光栅的波长调制型折射率传感器和结合细芯光纤与光纤光栅的光强调制型折射率传感器。前者利用外界环境折射率的变化引起的长周期光纤光栅的谐振峰波长位置的变化,导致用于光学加热的激光光强随之发生变化,从而引起刻写在掺钴光纤上的布拉格光栅的工作波长的漂移,通过探测该工作波长的偏移可以实现对环境折射率变化的测量。后者利用细芯光纤和单模光纤的纤芯失配产生的包层模式能量分布随着环境折射率的变化而变化,通过在细芯光纤上的刻写布拉格光栅,根据其反射回来的包层模的光强的变化可实现对环境折射率的监测,同时由于该布拉格光栅反射回来的纤芯模式的光强不受环境折射率变化的影响,其可作为光强参考来消除因光源光强扰动而导致的折射率测量误差。论文分别对上述这两种传感器结构进行了理论分析和实验验证,实验证实这两种传感器分别具有灵敏度高、结构紧凑、成本低和实用性强等优点。
【关键词】:光纤光栅 掺钴光纤 细芯光纤 折射率传感 温度交叉敏感 反射式测量
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN253
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-12
  • 1 绪论12-28
  • 1.1 研究背景及意义12-13
  • 1.2 光纤光栅发展13-18
  • 1.3 光纤光栅的应用18-24
  • 1.3.1 在光通信领域中应用18-20
  • 1.3.2 在光传感领域中应用20-23
  • 1.3.3 在折射率传感中的应用23-24
  • 1.4 本论文的内容和创新24-28
  • 1.4.1 论文的主要研究内容24-25
  • 1.4.2 论文的创新25-28
  • 2 光纤光栅基本理论28-48
  • 2.1 光纤光栅的成栅机理及其光谱特性28-37
  • 2.1.1 光纤光栅的成栅机理28-29
  • 2.1.2 光纤光栅的分类及其光谱特性29-37
  • 2.3 光纤光栅的可靠性和热稳定性37-39
  • 2.3.1 光纤光栅的机械强度37-38
  • 2.3.2 光纤光栅的热衰减38-39
  • 2.4 光纤光栅的理论模型39-45
  • 2.4.1 光纤光栅的结构模型39-40
  • 2.4.2 光纤光栅的射线理论40-42
  • 2.4.3 光纤光栅的耦合模理论42-45
  • 2.5 本章小结45-48
  • 3 基于光学加热的光纤光栅温度补偿型折射率传感器48-70
  • 3.1 掺杂光纤的热效应48-52
  • 3.2 结合掺钴光纤的光纤光栅的特性52-58
  • 3.2.1 折射率传感特性52-54
  • 3.2.2 波长调节特性以及温度补偿特性54-58
  • 3.3 基于光学加热长周期光栅的温度去敏折射率传感器58-67
  • 3.3.1 传感器的工作原理及制作59-61
  • 3.3.2 折射率传感实验结果和讨论61-67
  • 3.4 本章小结67-70
  • 4 新型反射式光纤光栅折射率传感器70-92
  • 4.1 反射式光纤光栅折射率传感器70-71
  • 4.2 基于长周期光纤光栅和光热布拉格光栅级联的折射率传感器71-81
  • 4.2.1 传感器的工作原理与制作71-75
  • 4.2.2 折射率传感实验结果和讨论75-81
  • 4.3 基于纤芯失配结构和布拉格光栅结合的折射率传感器81-89
  • 4.3.1 细芯光纤81-82
  • 4.3.2 传感器的工作原理与制作82-85
  • 4.3.3 折射率传感实验结果和讨论85-89
  • 4.4 本章小结89-92
  • 5 总结与展望92-94
  • 参考文献94-112
  • 作者简介112-113

【参考文献】
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