全光纤干涉式电磁场传感器研究

摘要

相对于一般光学Mach-Zehnder和Michelson干涉传感器，全光纤Mach-Zehnder和Michelson干涉型传感器不只具有测量精度高、响应灵敏等优点，更具有结构紧凑、全光纤兼容、成本低廉等特点，近年来受到了众多研究人员的关注。相比于传统的电学电磁场传感器，光学电磁场传感器在解决现代工业中电磁场测量的新问题、新情况时具有非常明显的优势，比如抗电磁干扰等恶劣环境，同时新材料的诞生和光纤光学的深入研究也给光学电磁场传感器更大的发展空间。本文的研究思路是将设计的全光纤干涉传感器应用到电磁场的测量中：首先基于磁流体的折射率在外界磁场下会发生变化的特性，再结合基于单侧几何形变的光纤Michelson干涉传感器的折射率传感特性制作了一种磁场传感器，随后基于横向大偏置的开腔式光纤Mach-Zehnder干涉传感器对冲击电压下平行板电极间液体介质内部的电场进行了测量。本文的主要内容和实验结论如下：
　　 1.提出了基于全光纤Mach.Zehnder和Michelson干涉型的电磁场传感器，随后利用光束传播法对单侧几何形变结构Michelson全光纤传感器和横向偏置结构光纤Mach-Zehnder干涉传感器进行了仿真分析，验证了这两种结构在单个光纤中的分光和汇光作用，分析了两种结构的参数对传感器的影响，了解到单侧几何形变结构在把纤芯基模耦合至包层时激发的主要为LPl，m模式，而横向大偏置结构在偏置光纤中激发的主要为LP2，m模式，为传感器的制作和实验提供了理论依据。
　　 2.基于第一部分的理论分析，我们采用CO2激光对单模光纤单侧熔融61.3μm形成单侧的几何形变，制作了一种基于单侧几何形变结构的光纤Michelson干涉型传感器，并对这种传感器的折射率特性进行了研究，实验结果表明：折射率在1.33-1.373范围内时，光纤Michelson传感器的折射率响应有较好的线性度，灵敏度约为21.8nm/0.001RI。根据折射率响应结果，通过理论分析反推出在单侧几何形变区域，纤芯基模耦合至包层时主要激发的为LPl，4模式。随后，针对磁流体这种新型纳米材料，测定了它的折射率为1.3571，并实验证明了磁流体折射率随磁场的增大而减小，测定了磁流体的热光系数为6×10-4℃-1。最后利用磁流体折射率在磁场下会发生改变的性质，结合基于单侧几何形变结构的全光纤Michelson传感器对磁场进行了测量，实验结果表明当传感臂长为3cm时，这种磁场传感器的灵敏度约为2.7pm/mT，最小可探测磁场为3.7mT。
　　 3.基于第一部分的仿真分析，我们采用熔接机手动偏置62μm熔接一段单模光纤，制作了一种基于横向大偏置的开腔式全光纤Mach-Zehnder传感器，利用液体介质在高场强下会发生Kerr效应的特性，对液体介质内部在平行板电极冲击电压下形成的畸变场强进行了测量，实验结果表明，这种电场传感器的灵敏度约为0.18w/(v/m)，在冲击电压波形的波头时间内，电极板间液体内部的电场分布均匀，但在冲压后期，液体介质内部形成的空间电荷严重影响了电极板之间的电场分布，使得电场发生畸变，文中对畸变的原因进行了简单分析，为研究人员研究液体绝缘介质的击穿特性提供了电场检测方法。
　　 综上所述，本课题将全光纤干涉传感技术应用到电磁场的测量中，丰富和拓展了全光纤干涉型传感器的应用范围，为电磁场的测量提供了一种新的技术手段，具有十分重要的学术意义和社会价值。