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新型光纤M-Z干涉传感结构及特性研究

张珊珊  
【摘要】:随着经济的迅猛发展和社会的不断进步,环境污染和工程质量问题已成为制约社会和谐发展的重要因素。开发新型的监测用传感器,已成为当今学术界以及工程界的研究热点。与传统电子传感器相比,光纤传感器由于具有结构灵巧、质轻价廉、抗电磁干扰及腐蚀、易于复用和远程感测、传输容量大等优点,因此被越来越多地应用于各种领域的监测。尤其是相位调制型的光纤传感器,因其可在大范围内实现对外界参量快速而精确的动态测量而受到诸多关注。在此类传感器当中,光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)是重要且应用广泛的结构形式之一;它主要是通过外界参量改变信号臂与参考臂之间的相位差,再利用解调技术获知参量的实时变化信息。全光纤MZI由于将两路传输光集成在同一根光纤之中,使器件更加灵巧、性价比更高且易于封装,近几年成为人们的研究热点。 本文针对这一热点问题,从传感单结构设计的角度,提出几种新型全光纤MZI传感器,通过从对称到一维非对称进而到二维非对称几何结构上的改变,使其在性能及应用上实现了从标量传感到一维矢量传感,再到二维矢量传感的拓展与突破。并且,对所设计的MZI实验制作方法、光谱特性以及传感性能,分别进行了系统的研究和详细的阐述。本文主要研究工作及其成果如下: 1.在普通单模光纤上,从结构出发探索同种结构中不同形成参数及异种结构对光纤器件光谱特性的影响,模拟、探究并总结规律,发现设计结构的最优参数,实验上制作出所设计的光纤传感器。 2.实验上探索多种传感参量的测试,包括温度、应变、弯曲、侧向压力等。研究所设计的光纤传感器对不同参量的灵敏性,探索其最适宜的传感应用领域。经过优化结构及制作参数,提出提高灵敏度的研究方案,根据理论分析结果,指导制作性能优化的全光纤MZI传感器,并应用于相应的传感领域。 3.采用类比方法,将同种MZI结构移植于诸如光子晶体光纤、多模光纤、保偏光纤等特殊光纤上,制作结构新颖、功能优异的新型光纤传感器。同时,进行外界参量的传感实验,分析基于不同结构的光纤MZI对传感特性的影响。 4.将不同的锥形结合,设计制作出一种新型光纤MZI。该传感器结构由电弧放电形成的凹形锥和过度熔接形成的凸形锥级联而成,形成的干涉谱中最大峰值衰减深度超过20dB。实验分析表明,此类干涉型传感器在折射率范围为1.333-1.3896内,其探测灵敏度可达82.8nm/RIU。与凹-凹锥级联型MZI相比,其灵敏度提高了5倍;与凸-凸锥级联型MZI相比,其灵敏度提高了12倍。因为不同级次的干涉峰对温度和折射率的灵敏性不同,所以这种凹-凸结构可以同时解决温度交叉敏感问题。 5.首次提出并实现了一种基于全光纤MZI的弯曲矢量传感器。该传感器结构由在单模光纤上制作的错位熔接结点和过度熔接形成的凸形锥级联而成,错位熔接改变了光纤的圆柱对称性,使形成的干涉条纹对沿错位方向的正负向弯曲响应不同,亦即干涉峰值波长的漂移方向相反。因此,此类MZI能够在一维上同时探测出所施加外力的大小和方向。实验表明,在峰值波长1463.86m和1548.41nm处,对于曲率范围-3-3m-1的弯曲灵敏度分别达到11.987nm/m-1和8.697nm/m-1。 6.首次利用全光纤MZI与长周期光纤光栅(LPFG)结合,实现了一种纤栅式二维传感,即将弯曲的一维矢量传感拓展到二维传感。这种二维弯曲矢量传感器由一个小错位熔接结点与一个强耦合LPFG级联而成。写制的LPFG曝光方向与光纤错位方向垂直,使器件几何结构在二维平面上具有非对称性,并且使在产生干涉的同时保持光栅谐振峰的相对独立性。利用LPFG谐振峰和干涉峰对弯曲的响应不同,可以实现对弯曲大小和方向的同时探测,这在实验上获得了验证,并在正交轴的四个方向上成功地实现了二维弯曲测量。 7.作为二维弯曲矢量传感器的研究扩展,设计制作出一种基于单模光纤正交错位结构的MZI。该传感器由两个错位方向互相垂直的错位熔接结点级联而成,其结构的二维非对称性使之具有对弯曲的二维矢量探测能力。相比于错位-光栅型MZI弯曲矢量传感器,该结构制作更加简单、灵活,便于批量生产及工程化应用。


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