Design of Large Mode Area Optical Fiber Curvature Sensor

摘要

光纤传感器因具有灵敏度高、安全性好、抗电磁干扰能力强、高绝缘、耐腐蚀、易集成复用等优点，而在物理、化学和生物等领域得到广泛的应用。光纤传感器正朝着高灵敏度、高精度、小巧和智能化的方向发展。本论文提出了一种基于大模场面积光纤的弯曲传感器，可实现高灵敏度、可区分弯曲方向的直接测量。论文主要包括以下内容：
　　首先提出了一种同轴阶跃折射率超大模场面积光纤的设计。在大芯的光纤包层中引入一高折射率环，通过调整各模式在纤芯中的传输损耗，实现基模与高阶模横向场分布的控制。使用光束传播法进行数值模拟，探讨光纤结构参数如纤芯的半径、折射率、环的宽度和位置、相对折射率等对光束传播特性的影响，实现了超大模场面积光纤的优化设计。同轴光纤纤芯直径达42?m，有效模场面积大于1000m2。
　　将上述超大模场面积光纤用于高灵敏度弯曲传感。为了提高传感器的灵敏度，我们通过在包层中刻蚀周期性正方形凹槽实现弯曲补偿。我们研究了凹槽深度、个数、宽度等对传感器特性的影响。研究发现大模场面积光纤中，基模光斑在纤芯中的位置随光纤曲率半径的变化而明显线性移动，可实现弯曲的直观测量。该传感器不仅可以实现弯曲曲率大小的测量，并且可以区分正弯曲和负弯曲的方向。研究结果表明周期刻槽不仅可有效提高传感器的灵敏度，而且其测量的动态范围也得到了很大拓展。该传感器的灵敏度可达405?m/mm-1,弯曲动态测量范围可达-0.02 mm-1--+0.02 mm-1.

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目录

Chapter 1 Introduction

1.1 General Introduction

1.2 Overview of Optical Fiber Sensor

1.3 Thesis Objectives and Outlines

Chapter 2 Large Mode Area Fibers

2.1 Introduction

2.2 Design of Large Mode Area Single-Mode Fiber

2.3 Summary

Chapter 3 Design of Coaxial Step Index Large Mode Area Fiber

3.1 Introduction

3.2 LMA Fiber Configuration

3.3 Theoretical Model

3.4 Numerical Simulation

3.5 Summary

Chapter 4 Design of Microbend Enhanced Based Curvature Sensor

4.1 Introduction

4.2 Modeling of the Curvature Sensor

4.3 Results and discussions

4.4 Summary

Chapter 5 Conclusions and Future Work

5.1 Conclusions

5.2 Future work

参考文献

Annex A

Published Research Papers

致谢