深紫外激光制作的微光纤传感器及系统研究

【摘要】： 光纤传感器由于具有抗恶劣环境能力强、无源、可远距离遥测等优点,近年来已成为传感器领域的主流方向之一,同时在满足国家重大需求方面具有广阔的应用前景,如地震监测、重要设施安全监测、电力工业和医学化学领域等。本博士论文在深紫外激光制作的微光纤传感器及系统研究方面做出了一系列创新性成果(为已获2008教育部自然科学一等奖的重要组成部分之一),总结如下: 一、在新一代微光纤珐-珀干涉传感器研究方面取得重要突破 (1)研究了157nm深紫外激光脉冲微加工光纤的工艺,实验表明该激光微加工系统可以实现光学镜面量级的微加工,为微光纤传感器的高质量制作奠定了工艺基础; (2)首次应用157nm深紫外激光微加工成功制作出目前世界上光学性能最好、工作温度最高(800℃)的微光纤在线珐-珀应变传感器(已被国际上多次转载报道),可望在航空航天、能源工业等环境十分恶劣的极端条件下使用,为解决长期以来存在的高温下应变精确测量的世界难题提供一条可行的途径; (3)首次在国际上发明了封闭型微光纤珐-珀传感器,该传感器可以工作在800℃下,对温度不敏感,常温下无需温度校准。作为应变传感器时,静态应变灵敏度为~0.304mrad/με,动态应变灵敏达~20nε/Hz1/2;作为压力传感器时,具有高达99.9975%的线性度。同时,提出了基于封闭型微光纤珐-珀传感器和长周期光纤光栅组合的温度与应变同时测量方法。 (4)首次在国际上提出了一种基于157nm激光微加工的对比度调制型的微光纤珐-珀折射率传感器结构,该传感器具有温度不敏感性,能够测量大于1的任何折射率,线性工作范围内具有~4×10-5的分辨率。具有宽测量范围、高分辨率、制作简单,低热敏性、低成本、大规模生产能力、可靠性高等优点,能够实用。 (5)提出了一种相位型微光纤珐-珀折射率传感器新结构以进一步提高折射率测量的分辨率,这种新型传感器在折射率测量中获得高达1130nm/RIU的灵敏度,具有灵敏度高、测量范围宽、线性度好、体积小、温度交叉敏感度较小等优点,使其在化学和生物传感领域中有很好的应用前景。 以上创新性工作不仅丰富了光纤珐-珀传感器的体系,而且为研制新型微光纤传感结构开辟了一条新路,具有重要的科学意义。同时可望解决光纤珐-珀传感器的批量制造问题,从而为微光纤珐-珀传感器的广泛应用奠定基础,因此,具有重要的应用价值。 二、在布拉格光纤光栅传感器研究方面取得重要进展 (1)首次在国际上实现了基于拉曼和掺铒光纤混合放大光纤激光器的长距离FBG传感系统,分别实验演示了50公里和100公里的长距离传感系统,在50km范围内,FBG传感器的光学信噪比高达~60dB以上。 (2)提出了基于先进算法的FBG传感信号信噪比提升方法,如MUSIC算法和特征量分解谱估计算法。 以上工作为低成本实现长距离的准分布式FBG传感网络提供了解决方案,可用于铁路、输油(气)管道、海岸线、边防线等的长距离安全监测,具有重要应用价值。