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具有偏心环形反射面的光纤法珀干涉传感器实验研究

作　者: 柯涛
导　师: 饶云江
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤法珀传感器偏心环形反射面光子晶体光纤温度折射率
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文在了解了本征型光纤法珀腔、非本征型法光纤珀腔和在线型光纤法珀腔,这三类光纤法珀腔优缺点的基础上,提出了两个偏心环形反射面的光纤法珀腔。一个是温度灵敏度高且干涉谱对比度大的本征型光纤法珀腔;另一个是结构稳定且温度低敏感的非本征型光纤法珀腔。光学分析与仿真了这两个偏心环形反射面的光纤法珀腔的光学原理,在理论指导下进了这两个法珀腔的制作,实验测定了这两个光纤法珀腔分别应用作为温度传感器和折射率传感器的特性参数。本文丰富了光纤法珀干涉传感器的结构体系,进一步拓展了光纤法珀传感器的应用领域。论文主要研究内容如下:1.光学分析与仿真这两个偏心环形反射面的光纤法珀腔的光学原理。在康宁单模光纤(SMF28e)后熔接一段多模光子晶体光纤(MM-HNA-5)而成的光纤法珀温度传感器,是通过多模光子晶体光纤(MM-HNA-5)相对于康宁单模光纤(SMF28e)轴偏置2~4μm熔接来控制第一个反射面的反射光强与透射光强的比例,以便达到此种光纤法珀腔相干的两束光的光强强度相近,从而实现制作的光纤法珀的干涉谱的对比度最佳;在康宁单模光纤(SMF28e)后依次熔接不同芯径的空芯光纤,通过将此种法珀腔的第二个反射面相对于康宁单模光纤(SMF28e)的轴偏置6μm以上,再配合熔接第一反射面的熔接能量高于熔接第二反射面的熔接能量,从而实现制作光纤法珀腔干涉谱的对比度最佳,且由于小芯径空芯光纤中心的通孔,实现光纤法珀腔的腔内与外界相通。2.研究了在康宁单模光纤(SMF28e)后轴偏置续接一段多模光子晶体光纤(MM-HNA-5)成的光纤法珀温度传感器的制作方法,在实验室以前熔接空芯光子晶体光纤法珀腔的基础了,确定了熔接这种温度传感器的熔接参数。探讨了这种光纤法珀温度传感器是基于光纤材料的热光效应,由于光纤的热光系数要比热膨胀系数大两个数量级,因此康宁单模光纤(SMF28e)后轴偏置续接一段多模光子晶体光纤(MM-HNA-5)成的光纤法珀温度传感器具有温度灵敏度高的优点。进行了该传感器的高温退火实验研究、高温段的重复返复实验、高温的稳定性实验和低温段的重复返复实验。最后得到了该光纤法珀温度传感器测量范围(实验值为-20~1200℃,理论值为-200~1200℃),和该法珀温度传感器的归一化光程差温度灵敏度。归一化光程差温度灵敏度的值与理论值相近,约为290nm/(℃?cm)。低温段的归一化光程差灵敏度为271.162nm/(℃?cm),较高温段的归一化的光程差温度灵敏度略小,且具有良好的线性和重复性。3.研究了康宁单模光纤(SMF28e)后依次熔接不同芯径的空芯光纤而成的光纤折射率传感器的制作方法,在熔接此结构的光纤法珀腔的第一反射面时,采用的熔接能量稍高(熔接机的能量等级为100),第二个反射面的熔接能量稍低(熔接机的能量等级为80),同时偏置熔接小芯径的空芯光纤6μm以上。探讨了该光纤法珀传感器测量气体折射率的原理,被测气体通过小芯径光纤中心的通孔进入光纤法珀腔内,改变光纤法珀腔的光程差,而引起光纤法珀干涉谱的峰值波长发生漂移,通过光谱探测峰值波长的漂移量,从而得到被测气体的折射率。(可测量的最大折射率与最小折射率的差约为2T n0 /λ0 )。进行折射率的测量实验,得到了每10-6个折射率变化其波长漂移量为1.467 pm,实验测得的折射率分辨率约为5.307×10-6,且由于光纤材料的热膨胀系数小,温度对该传感器测量折射率时的交叉影响小。

具有偏心环形反射面的光纤法珀干涉传感器实验研究

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