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新型光纤F-P干涉传感结构及特性研究

邓明  
【摘要】: 光纤传感技术凭借其抗干扰能力强、本质安全、可远程测量等优点倍受各国的重视。光纤F-P干涉传感器作为光纤传感器中极为重要的一类,具有体积小、分辨率高、稳定性好、成本低廉等突出优点,成为应用最成功的光纤传感器之一。 本文对光纤F-P干涉传感器的分类及其制作方法做了较为详细的分析,指出现有光纤F-P干涉传感器在制作和结构设计方面的不足,在此基础上,提出并制作了两种新型微光纤F-P干涉传感器(MFFPI),丰富了MFFPI的结构体系。主要研究内容包括: ①理论分析了高斯光束经过MFFPI后反射光的强度分布,数值仿真了F-P干涉腔不平行度对MFFPI输出反射光强和干涉条纹对比度的影响。结果表明,随着光纤F-P干涉腔不平行度的增加,反射光的强度呈现整体下降趋势,并且干涉条纹的对比度也呈非线性地迅速降低。这些分析为制作高对比度MFFPI提供了理论基础。 ②理论研究了熔接型光子晶体光纤F-P干涉传感器的光学特性和传感特性,结果表明:(1)熔接型光子晶体光纤F-P干涉传感器的条纹对比度只与两个反射面的反射率和第一个反射面的传输损耗有关,这为制作高对比度的光子晶体光纤F-P干涉传感器提供了理论指导;(2)折射率引导型光子晶体光纤F-P干涉传感器温度灵敏度主要取决于纯硅的热光系数和包层的热光系数,而光子带隙光纤传感器具有较低的温度灵敏度。 ③分析了飞秒激光加工的机理和特点,采用掺钛蓝宝石飞秒激光器,通过减小飞秒激光焦斑直径、超声波清洗、双面写入、化学腐蚀等措施,制作出了高对比度的非对称型MFFPI结构。 ④比较系统的研究了非对称型MFFPI的传感特性,结果发现:(1)非对称型MFFPI具有较低的温度灵敏度,在20 ~100oC的温度范围内,其波长-温度灵敏度为- 0.002 nm /oC,并且非对称型MFFPI全光纤结构为其应用于高温测量提供了可能;(2)非对称型MFFPI具有较高的应变灵敏度,在0 ~ 360με的应变范围内,其波长-应变灵敏度达到0.006 nm /με,同时结合温度特性可实现无需温度补偿的高灵敏度应变计;(3)非对称型MFFPI的开放腔结构使得液体/气体能够自由地进出,并且具有较高的折射率灵敏度。 ⑤首次设计并制作了基于TIR-PCF的端面型MFFPI,从理论和实验研究了该MFFPI的传感特性,发现基于TIR-PCF的端面型MFFPI具有较高的条纹对比度-外界折射率响应灵敏度,在1.33~1.444内,干涉条纹对比度随着待测液体折射率的增加而线性减小,灵敏度为~4.59/RIU,分辨率为2×10~(-5),重复率为±0.5%FS;其腔长具有较高的温度灵敏度,腔长变化量对温度的灵敏度为18.721n m /oC ,重复率为±0.15%FS,基于此可实现温度和折射率的同时测量。


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