高精度干涉型光纤传感器的理论与实验研究

摘要

干涉型光纤传感器作为近年来光纤传感领域中最重要的研究类型之一，相比普通光纤传感器，具有极高的检测灵敏度、超大的动态范围和超宽的频率响应范围，因此受到极大关注。如今干涉型光纤传感器已广泛应用于结构健康监测、环境监测、生物、人体健康监测等领域中。近年来，由于纳米科技和集成工艺的发展，干涉型传感器开始往高精度、结构简单和微小尺寸等方向发展。
　　本论文针对干涉型光纤传感器的发展需要，结合光纤激光器、微纳光纤和全光纤干涉结构等关键技术，重点研究了几种新型的高灵敏光纤干涉传感结构，并进行了系统的理论和实验研究。其主要研究结果包括：
　　从耦合模基本理论出发研究了光纤布拉格光栅和光纤激光器的基础理论，并在此基础上成功实现了在有源掺铒光纤中的光纤布拉格光栅写入，结合对线性腔掺铒光纤激光器的理论分析和研究制作出了以光纤布拉格光栅为反射腔镜的腔长约13mm超短腔光纤分布布拉格反射（DBR）激光器，并进行了实验和测试研究。
　　在理论分析和成功制作光纤DBR激光器的基础上，利用激光器的双偏振干涉拍频解调机理，并根据光纤双折射对横向压力敏感的特性，模拟分析了横向压力对激光器输出拍频的具体影响并进行了实验验证。同时，通过级联两光纤谐振腔，验证了DBR光纤激光器应用于准分布式测量的可能性。然后，根据DBR激光器的横向压力响应特性，提出并建立了以超短光纤谐振腔为传感核心元件，结合光纤外部特殊封装结构的液位和人体健康参数的高精度传感装置，并进行了理论和实验研究。另外，根据光纤双折射系数易受扭转等因素影响的特点，进行了光纤扭转测量的实验研究。
　　系统研究了微纳光纤的波导场方程、倏逝场特性以及其导模特别是高阶模式与外界环境相互作用的机理；搭建了微纳光纤制作平台，并进行了普通微纳光纤的拉制工艺研究；提出了以微纳光纤为传感核心元件，结合马赫泽-德光纤干涉结构的新型折射率传感器，该装置不仅能实现线性测量，还大大提高了折射率测量灵敏度。结果显示，当测量光纤为2μm时，折射率测量灵敏度高达7159μm/RIU。
　　研究了全光纤在线干涉型传感结构，对其各模式间的耦合理论进行了深入研究；在此基础上设计了一种基于“多模-单模-多模”光纤的光纤模间干涉结构，并重点研究了其对温度、轴向应力、外界折射率等的响应特性。同时，通过将该传感结构中间的单模光纤拉锥至微米尺度，设计了一种具有模式耦合增强特性的新型光纤传感结构；基于测量干涉谱消光比的解调方法，进行了弯曲曲率的传感研究。实验结果显示，该结构不仅能极大地提高弯曲测量的灵敏度，还能有效地克服温度和光源的功率波动带来的影响。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 干涉型光纤传感器的技术现状

1.3 干涉型光纤传感器的发展方向

1.4 本论文的主要工作和创新点

2 超短腔DBR光纤激光器的理论和实验研究

2.1 引言

2.2 超短腔DBR光纤激光器的理论研究

2.3 超短腔DBR光纤激光器的制作工艺研究

2.4 超短腔DBR光纤激光器的实验研究

2.5 本章小结

3 基于DBR光纤激光器偏振拍频解调的高精度传感应用研究

3.1 引言

3.2 横向压力测量的理论分析和实验研究

3.3 液位测量的理论和实验研究

3.4 人体脉搏及呼吸测量的理论和实验研究

3.5 扭转测量的理论和实验研究

3.6 轴向应力和温度的交叉响应研究

3.7 主要创新点

3.8 本章小结

4 基于微纳光纤干涉仪的高精度传感理论与实验研究

4.1 引言

4.2 微纳光纤倏逝场特性的理论模型和模拟仿真

4.3 微纳光纤的制备工艺研究

4.4 基于微纳光纤白光干涉的折射率传感机理研究

4.5 基于微纳光纤白光干涉的折射率传感实验研究

4.6 主要创新点

4.7 本章小结

5 基于光纤微结构模间干涉的传感理论与实验研究

5.1 引言

5.2 光纤模间干涉结构设计及轴向应力和温度传感研究

5.3 基于光纤模间干涉的折射率和温度双参量传感研究

5.4 基于拉锥光纤模间干涉的弯曲增敏传感研究

5.5 主要创新点

5.6 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间的相关成果

附录3 英文缩写简表