双光纤共球耦合场能量分布研究

摘要

双光纤共球耦合结构适于在深入狭小的半封闭空间和易燃易爆环境下进行精密测量。基于双光纤共球耦合原理的内尺寸测量传感器，具有高分辨力，高精度的特点，可以精密测量用传统测量方法和技术难以进行的微深腔体及沟槽等结构。研究双光纤耦合过程中光能量场的分布规律，分析耦合效率的影响因素，将为双光纤耦合原理在提高内尺寸测量传感器的综合性能方面打下理论基础。
　　针对现有光线模型的不足，本文首先依据电磁问题的解析方法研究并分析单光纤在柱坐标系下和单球体在球坐标系下矢量波与标量波及其关系；研究矢量波加法并获得柱矢量波的坐标变换关系；通过柱标量波的球标量波分解式得到光纤内标量驻波在耦合球内的球矢量波展开式。研究Debye级数与Mie系数之间的关系，进而获得球行波的反射和透射系数及球体远场分布。结合双光纤共球耦合结构的尺寸特点及相关电磁分析方法，本文推导出双光纤共球耦合结构的近似数学模型。在近似模型中，耦合球结构的场分布通过将耦合球划分为不同区域并分别求得散射系数的方法求得。光纤模式系数则是通过球模场的正交性及定域积分等获得。分析并给出数学模型中散射系数的数值算法。由双光纤共球耦合结构对称特点，采用有限时域差分法分析双光纤共球耦合结构在传光平面上的场分布。
　　结合现有微球，微柱电磁散射的远场测量方案，与耦合球结构的空间特性，提出耦合球结构的远场光强分布测量方案。由测量方案中成像关系得到耦合球定位方法及远场光强分布测量的主要影响因素。最后通过实验，证明了双光纤共球耦合结构的近似数学模型的正确性。

目录

双光纤共球耦合场能量分布研究

RESEARCH ON ENERGY DISTRIBUTION OF DOUBLE FIBER-OPTICAL BALL COUPLING FIELD

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 相关国内外研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 光纤耦合场分析基本理论

2.1 引言

2.2 波动方程的矢量解及分解

2.3 矢量圆柱坐标函数的展开及平移变换

2.4 Mie-Debye 球形粒子的球矢量波散射

2.5 本章小结

第3章 双光纤共球耦合结构场分布理论模型

3.1 引言

3.2 光纤中导波的坐标变换及展开

3.3 耦合球结构的场分布

3.4 光纤散射场分布

3.5 本章小结

第4章 双光纤共球耦合数值计算

4.1 引言

4.2 理论模型数值算法

4.3 有限时域差分法

4.4 本章小结

第5章 双光纤共球耦合结构远场分布实验

5.1 引言

5.2 实验平台

5.3 耦合球远场分布实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢