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基于微纳结构的光纤激光传感理论及应用研究

作　者: 张杰君
导　师: 孙琪真
学　校: 华中科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤光栅微纳光纤FP干涉仪 Saganc干涉仪光纤激光器拍频检测折射率传感温度传感应变传感
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在地震前兆监测中，需要对地壳温度、岩石压力、稀有气体含量及地下水中矿物质浓度等多种参量进行准确实时的分布式测量。因此，高精度、低成本、可复用的温度、应变、折射率的传感是十分重要的。光纤传感器作为一种新型的传感器，经过近二十年的发展，已经实现了对温度、应变、振动、加速度、折射率、溶液浓度、水声等多种物理参量的传感。相比于传统的电类传感器，光纤传感器具有抗电磁干扰、适应恶劣工作环境、成本低廉、耐用性好、易于组网等大量优势，因而在地震传感中有独特的优势。本论文针对光纤传感器在地震前兆监测中的应用，深入研究了几种基于微结构的新型光纤传感器，实现了高精度的温度、应变和折射率传感。主要研究成果如下：(1)对光纤传感器的发展和现状进行总结，介绍了光纤轴向和径向的两种微结构，即光纤光栅和微纳光纤。基于光波导理论，对光纤光栅和微纳光纤的光场分布进行了全面的模拟仿真，并对其光学特性进行了深入的研究。(2)提出了一种基于光纤激光器纵模数目编码的高精度应变传感器。多纵模激光器的输出激光中，纵模数目与施加在光纤布拉格光栅（FBG）上的应变存在函数关系。通过分析输出激光的拍频频谱，可确定激射的纵模数目，从而实现高精度的应变传感。通过实验，我们得到了0.02με/纵模的应变灵敏度，比光学解调的FBG应变传感器提高约两个数量级。(3)提出了一种结合光纤光栅和微纳光纤的新型结构。利用火焰加热拉锥法，在一个均匀型光纤布拉格光栅中间获得了一段微纳光纤，形成了一个珐布里-珀罗干涉仪。理论分析表明，这种微纳光纤珐布里-珀罗干涉仪（MFPI）综合了光纤光栅的波长选择特性和微纳光纤的强倏逝场特性，因此对温度、应变、折射率等参量都有特定的光谱响应。从实验上实现了MFPI的折射率和温度双参量传感，并针对MFPI光谱提出频域滤波和高斯拟合相结合的数据处理方法，使传感精度提高约1个量级。(4)实现了基于上述MFPI激光拍频解调的折射率传感。将MFPI作为一个直腔光纤激光器的反射镜，在其相邻的两个反射峰上得到双波长激光输出。双波长激光的相干拍频频率与MFPI的自由光谱范围相等，因此受到外界折射率的影响。测量双波长激光器的拍频频率，即可推算出MFPI周围介质的折射率。实验上实现了911MHz/RIU的折射率传感灵敏度，折射率传感精度可达约10-6RIU。(5)提出了一种基于微纳光纤的双Sagnac环复合结构，并研究其激光和传感特性。利用光学探针对微纳光纤进行微操控，获得两个级联的Sagnac干涉环，形成双Sagnac型MFPI。这种结构具有均匀的、周期性的反射谱。将其与直腔光纤激光器结合，获得了双波长激光输出。利用光纤激光双波长相干拍频与MFPI自由光谱范围之间的相关性，研究并实验验证了基于拍频检测解调的折射率传感可行性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-22
  1.1 光纤传感技术的发展及现状  11-12
  1.2 光纤微纳尺度结构介绍  12-19
  1.3 光纤微纳结构的激光特性  19-20
  1.4 本论文的主要工作  20-22
2 光纤微纳结构激光传感的基础理论研究  22-37
  2.1 光纤光栅的耦合模理论和传输矩阵  22-28
  2.2 微纳光纤波导理论及传感特性  28-30
  2.3 光纤激光器的基础理论  30-36
  2.4 本章小结  36-37
3 基于激光器纵模数目编码的高灵敏度应变传感理论与实验研究  37-43
  3.1 应变传感机理  37-38
  3.2 实验方案  38-40
  3.3 实验结果与讨论  40-42
  3.4 主要创新点  42
  3.5 本章小结  42-43
4 FBG-MNF-FBG 复合结构 MFPI 的光学特性分析与制备方法研究  43-49
  4.1 MFPI 的结构及光学特性  43-45
  4.2 MFPI 的制备工艺  45-48
  4.3 主要创新点  48
  4.4 本章小结  48-49
5 FBG-MNF-FBG 复合型 MFPI 的温度/折射率双参量传感研究  49-60
  5.1 FBG-MNF-FBG 复合结构 MFPI 的光谱特性  49-50
  5.2 MFPI 的折射率/温度双参量传感机理  50-55
  5.3 MFPI 的温度/折射率双参量传感实验  55-58
  5.4 主要创新点  58-59
  5.5 本章小结  59-60
6 FBG-MNF-FBG 复合型 MFPI 的高精度激光传感研究  60-68
  6.1 MFPI 激光传感的理论分析  60-61
  6.2 MFPI 激光传感的实验方案设计  61-64
  6.3 基于 MFPI 的光纤激光折射率传感实验结果  64-66
  6.4 主要创新点  66-67
  6.5 本章小结  67-68
7 双微纳光纤 Sagnac 环级联 MFPI 的激光传感研究  68-75
  7.1 双微纳光纤 Sagnac 环级联结构 MFPI 的设计、制备与光学特性  68-70
  7.2 基于双 Sagnac 型 MFPI 的双波长激光器实现方案  70-72
  7.3 基于双 Sagnac 型 MFPI 的双波长激光器的传感特性  72-73
  7.4 主要创新点  73
  7.5 本章小结  73-75
8 总结与展望  75-77
  8.1 总结  75-76
  8.2 展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-82
附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文目录  82-83
附录 2 攻读硕士学位期间申请的发明专利  83

基于微纳结构的光纤激光传感理论及应用研究

内容摘要

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