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基于单模-多模-单模结构的复合干涉型光纤传感器的研究

田可  
【摘要】:随着光纤传感技术的快速发展,国内外研究者们开发和制备出了各种结构的光纤传感器。在这其中,单模-多模-单模(single-mode-multimode-single-mode,SMS)光纤结构由于具有结构简单、价格低廉、易于制备等优点,一经提出就吸引了大量的研究注意。SMS光纤结构以多模干涉(multimode interference,MMI)效应作为其根本的操作原理,依靠MMI的性能优势,SMS光纤结构在温度、湿度、折射率(refractive index,RI)、曲率、应变、位移、液位、振动、磁场等物理参数的测量中都可以提供良好的测量灵敏度。为进一步提高传统SMS光纤结构的传感性能,研究者们提出了多种对于SMS光纤结构的后置处理方法,例如光纤拉锥、光纤侧抛、化学刻蚀、敏感材料涂覆等方法。在本论文中,我们提出在SMS光纤结构的多模光纤(multimode fibre,MMF)部分构建复合干涉的概念,将其作为提高传统SMS光纤结构传感性能的方法之一。为在MMF内建立起有效的复合干涉,我们提出了包括扭转、弯曲、非对称拉锥、准法布里珀罗(F-P)腔嵌入以及折射率调制在内的五种不同方法。本论文以MMI理论为基础,从耦合模理论出发,对MMF中不同形式的复合干涉进行了详细地理论分析,并使用光束传输法(beam propagation method,BPM)对MMF内的光场分布进行了数值仿真。在理论分析和数值仿真的基础上,我们在实验上完成了对于五种SMS复合干涉型光纤传感器的制备以及相应的传感特性分析、温度依赖性分析等工作。本论文的主要研究内容如下:1.总结了 SMS光纤结构在光纤传感领域的发展及应用。分别使用导模分析法和近似导模分析法对SMS光纤内的MMI进行理论建模,并对建模结果进行分析和对比。详细归纳了包括光纤拉锥、光纤侧抛、化学刻蚀、敏感材料涂覆、构建复合干涉等用于提高传统SMS光纤结构传感性能的后置处理方法。2.基于光纤扭转技术、光纤弯曲技术、光纤拉锥技术,分别对SMS光纤结构的MMF部分进行了扭转、气球形弯曲、非对称S形拉锥处理,以在MMF部分引入额外的马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer,MZI),构建复合干涉。在实验上优化制备参数,并将制备得到的扭转SMS光纤结构、气球形弯曲SMS光纤结构、S形拉锥SMS光纤结构分别用于曲率、微位移、应变的测量中,研究相应的传感特性和温度依赖性。3.使用电弧放电法,将MMF的末端重塑为半球形,并利用光纤焊接技术将两个半球形MMF尖端焊接在一起形成葫芦形结构,以在SMS光纤的MMF部分引入额外的法布里珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer,FPI),构建复合干涉。在实验上优化制备参数,并将制备得到的葫芦形SMS光纤结构用于应变测量申,研究相应的应变传感特性和温度依赖性。计算应变-温度串扰灵敏度,得到应变和温度同时测量的解调矩阵,并给出了应变和温度间的补偿关系。4.基于长周期光栅(long period grating,LPG)理论,通过在SMS光纤结构的MMF部分周期性地嵌入无芯光纤(no-core fibre,NCF)的方法,成功地对SMS光纤结构的MMF部分进行了折射率调制,以引入LPG,构建复合干涉。模拟仿真确定了最佳制备参数,并将实验制备得到的折射率调制SMS光纤结构用于RI测量中,研究相应的RI传感特性,并对其温度依赖性进行分析,得到其温度免疫性结论。


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