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高双折射光子晶体光纤应用于传感的研究
作 者: 钱礼国
导 师: 施伟华
学 校: 南京邮电大学
专 业: 光学工程
关键词: 光子晶体光纤 双折射 静态液体压力 横向压力 传感 有限元法
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
光子晶体光纤具有无截止单模传输、色散可调、高非线性、高双折射等特性,自1992年被P. St. J .Russell等人提出以来,就因其独特的光学性质受到了人们极大的关注,欣起了一股研究光子晶体光纤的热潮。通过灵活地设计光子晶体光纤的结构可以获得具有高双折射特性的光子晶体光纤,因此近年来基于光子晶体光纤双折射特性的研究和应用已成为一个热点。本文提出了一种新型的边孔型光子晶体光纤。利用全矢量有限元法对提出的边孔型光子晶体光纤的受力、模场情况进行仿真,并结合Matlab做数据的后处理,从而得到这种边孔型光子晶体光纤的双折射特性和当存在静态液体压力、横向压力时双折射特性随结构参数、自由空间波长的变化关系。数值结果表明,边孔越大离芯区越近,静态液体压力、横向压力传感灵敏度越大;在测量范围内自由空间波长越小,静态液体压力和横向压力的偏振相位灵敏度都越大;温度的偏振相位灵敏度很小,对压力传感影响很小。在最优化结构下,λ= 1.55μm时相位模式双折射为30 B = 2.931×10?,静态液体压力偏振相位灵敏度为K 99.072rad /(MPa m) P = ?×,单位长度上的横向压力偏振相位灵敏度为K 177.96rad /(N /cm m) f =×(上下边孔放置)、K 177.55rad /(N /cm m) f = ?×(左右边孔放置)。最后,对基于偏振干涉原理的传感检测系统作了介绍,分析了提出的边孔型光子晶体光纤应用于传感系统的静态液体压力、横向压力传感性能。结果表明这种边孔型高双折射光子晶体光纤对静态液体压力和横向压力都具有较高的传感性能,非常适合用作压力传感元件。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-8 第一章 绪论 8-13 1.1 课题的研究背景和意义 8-9 1.2 高双折射PCF 传感研究进展 9-12 1.3 论文的研究重点和内容安排 12-13 第二章 光子晶体光纤理论研究方法 13-20 2.1 光子晶体光纤理论研究方法 13-14 2.1.1 有效折射率方法 13 2.1.2 平面波展开法 13-14 2.1.3 多极法 14 2.2 全矢量有限元法 14-19 2.2.1 全矢量有限元方法原理 14-17 2.2.2 边界条件的选用 17-18 2.2.3 COMSOL Multiphysics 结合Matlab 进行数值计算 18-19 2.3 本章小结 19-20 第三章 光子晶体光纤双折射特性的研究 20-31 3.1 双折射的基本原理 20-22 3.1.1 双折射的概念 20 3.1.2 描述双折射的参量 20-21 3.1.3 双折射光纤的分类 21-22 3.2 边孔型光子晶体光纤双折射特性分析 22-26 3.2.1 边孔型PCF 双折射特性有限元分析 22-23 3.2.2 几何结构对边孔型PCF 双折射特性的影响 23-26 3.3 光子晶体光纤双折射特性应用于传感的理论 26-29 3.3.1 光子晶体光纤双折射传感机理 26-29 3.3.2 双折射灵敏度的定义 29 3.4 本章小结 29-31 第四章 边孔型高双折射PCF 压力传感的研究 31-59 4.1 压力传感计算模型 31-34 4.1.1 压力传感有限元法计算模型简介 31-32 4.1.2 压力传感计算模型正确性验证 32-34 4.2 边孔型PCF 静态液体压力传感 34-41 4.2.1 边孔型PCF 静态液体压力模型 34-35 4.2.2 边孔型PCF 静态液体压力传感有限元分析 35-36 4.2.3 几何结构对静态液体压力传感灵敏度的影响 36-40 4.2.4 自由空间波长对静态液体压力传感灵敏度的影响 40-41 4.2.5 边孔型PCF 静态液体压力传感小结 41 4.3 边孔型PCF 横向压力传感 41-56 4.3.1 边孔型PCF 横向压力模型 42-43 4.3.2 边孔型PCF 横向压力传感有限元分析 43-45 4.3.3 几何结构对横向压力传感灵敏度的影响 45-52 4.3.4 自由空间波长对横向压力传感灵敏度的影响 52-55 4.3.5 边孔型PCF 横向压力传感小结 55-56 4.4 温度对边孔型PCF 压力传感的影响 56-58 4.5 本章小结 58-59 第五章 高双折射PCF 压力传感检测系统 59-64 5.1 压力传感检测装置及其原理 59-60 5.2 静态液体压力的检测 60-61 5.3 横向压力的检测 61-63 5.4 本章小结 63-64 结束语 64-66 致谢 66-67 参考文献 67-71 攻读硕士学位期间发表的论文 71
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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