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基于线内Mach-Zehnder干涉仪的光纤传感器研究

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1 绪论

1.1引言

1.2本论文的研究内容

1.3线内光纤干涉仪传感研究进展

1.4基于光纤的弯曲传感概况

1.5论文的章节内容安排

2 特殊耦合结构的理论分析与制作

2.1引言

2.2 BPM简介

2.3对称偏移熔接的光纤干涉结构设计

2.4花生型级联偏移熔接的光纤结构

2.5凸起锥的光纤结构和SMS的特性

2.6本章小结

3 基于对称偏移熔接结构的光纤曲率传感器

3.1引言

3.2弯曲光纤的理论分析

3.3对称偏移熔接结干涉仪的弯曲传感分析

3.4偏移熔接结构的弯曲传感实验

3.5本章小结

4 基于侧向偏移级联花生型结构的线内光纤传感器

4.1引言

4.2 侧向偏移级联花生型结构的理论模型

4.3侧向偏移级联花生结构的双参量同时测量

4.4本章小结

5 基于SMS级联凸起锥结构的光纤传感器

5.1引言

5.2 SMS结构级联凸起锥的结构分析

5.3 SMS级联凸起锥结构的弯曲测试实验

5.4 SMS级联凸起锥结构的温度灵敏度分析

5.5温度传感实验

5.6本章小结

6 全文总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表学术论文目录

附录2 攻读博士学位期间所申请专利

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摘要

线内光纤干涉仪(In-fiber interferometer)是在同一根光纤线路形成的干涉仪,与传统的 Mach-Zehnder干涉仪不同,由不同的光纤模式干涉形成,减少了需要两根物理光纤分支带来的复杂性和不稳定性,具有易接入接出、成本低、结构紧凑等优点,近些年引起了科学家们的关注,在光通信和传感应用等众多领域都有广泛的应用。本论文主要从基于特殊熔接方式和多模光纤形成的耦合结构出发,着重于弯曲和温度传感的应用,提出了三种不同结构的线内 Mach-Zehnder干涉仪并对它们进行了理论研究和实验验证。主要研究工作和成果如下:
  ⑴本论文提出了利用对弯曲极度敏感的偏移熔接结构进行曲率测量,深入研究了基于对称偏移 Mach-Zehnder干涉仪的曲率传感器,并提出了一种实时监控的制作方法。在对比度、插损和可测量范围三者之间权衡优化设计了相对偏移量和干涉长度,分析了偏移熔接结构中的干涉原理及弯曲传感的原理。在0.35~2.8m-1曲率范围内获得了高达-22.947nm/m-1的灵敏度,解决了目前弯曲传感器只能测量大曲率和灵敏度偏低的问题,实现了在小曲率场合也能有较大的测量范围和较高的灵敏度。
  ⑵为解决弯曲测量中存在的温度交叉敏感问题,设计了侧向偏移级联花生型结构的光纤线内干涉仪,利用不同级次的谐振峰对温度和弯曲的灵敏度不同,采用矩阵法来测量弯曲量的变化和温度的漂移,实现了双参量的并行检测,线性度较好的探测范围为0.6117~1.1172m-1,曲率的分辨率为0.0074m-1,温度分辨率为1℃。
  ⑶对于仅需测量曲率大小的应用场合提出了一种弯曲方向无关的圆柱对称的干涉仪结构—单模-多模-单模光纤(Singlemode-Multimode-Singlemode,SMS)级联凸起锥,介绍了光纤弯曲时模式折射率和模场形状的变化。通过选择对零曲率下1600nm附近的波长进行监测,在1.1718m-1曲率附近得到高达-61.877nm/m-1的曲率灵敏度,0.865m-1到1.1172m-1之间得到灵敏度为-9.2115nm/m-1。
  ⑷利用SMS级联凸起锥形成的干涉仪对温度比较敏感的特点,提出了基于该结构的温度传感器。比较了长度和MMF规格不同的干涉仪的透射谱。测试了不同长度下传感器的温度响应,通过比较得出干涉仪温度灵敏度取决于多种因素。并进行了迟滞实验,在两种温度变化趋势下波长漂移量之间的差小于0.87%。本论文提出 SMS级联凸起锥的温度传感器获得的灵敏度113.6pm/℃为已报道的几种基于线内光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感器在20℃到80℃之间测得的最高值,实现了高灵敏度的温度传感。

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