基于双芯光子晶体光纤的干涉测量技术研究

摘要

双芯光子晶体光纤是近些年发展起来的新型微结构光纤,凭借独特的双导光纤芯结构,其在光纤传感领域占据着一席之地。本文利用双芯光子晶体光纤(Dual-Core Photonic Crystal Fiber)传感单元,研究其传感理论和特性,实验研究DC-PCF弯曲和温度传感特性,并基于该光纤的自混频效应,研究其应用于流场颗粒速度测量的可行性。
　　首先,本文研究了双芯光子晶体光纤的相干合成机理,在确保双芯光子晶体光纤出射光为单模的前提下,从理论和实验上分析了干涉条纹的形成原理,结果表明干涉条纹是在干涉效应和衍射效应交织作用下产生的。在此基础上,进一步研究了双芯光子晶体光纤的横向耦合效应,结果表明,DC-PCF的两纤芯存在一定的横向耦合,且两纤芯出射的光功率并非恒定相等。
　　其次,由于DC-PCF具有类似于Mach-Zehnder式干涉仪的独特结构,探索了双芯光子晶体光纤进行各种物理量传感的可能性,本文分别对弯曲传感和温度传感进行了实验。在弯曲测量实验中,得到了光纤弯曲角度与出射光相位变化量曲线,该曲线线性度达到0.9968,这一结果验证了理论分析,即双芯光子晶体光纤中传输光的相位差改变量d?与光纤两端和曲率中心形成的夹角改变量d?成正比。然后,从实验上探究了DC-PCF对温度的传感特性,分别进行了笔直DC-PCF段和弯曲DC-PCF段的升温实验,实验结果表明,DC-PCF之所以能进行温度传感,是因为光纤弯曲时,两纤芯受温度场作用时产生的相位差不相等。在光纤处于圈状时,DC-PCF的温度传感曲线具有极高的线性度,达到0.9988,此时,DC-PCF的温度灵敏度为1.023×104rad/m·℃。
　　最后,基于双芯光子晶体光纤的自混频效应,探索开发出一种新型的测量微粒流速的检测系统。相较于传统LDV系统,基于DC-PCF的LDV系统的干涉区域独特,传统定义上的控制体并不适用于此系统,基于此,提出了“控制面”的说法。成功地搭建了基于DC-PCF的激光多普勒测速系统,对运动物体进行了速度的测量与标定,并分析了测量过程中造成频谱展宽的原因。实验结果表明,利用光电门测定的速度与利用LDV系统测定的速度十分吻合,线性度达到了0.99993。该新型的LDV系统能很好地应用于实际运动物体的速度测试,这一新型的激光多普勒测速技术拓宽了光电检测技术的发展方向,为MEMS以及生物医学领域中微粒的速度测定问题提供了新的解决方案。

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第一章 绪论

1.1光子晶体光纤

1.2基于光子晶体光纤的传感技术研究进展

1.3 基于双芯光子晶体光纤的传感技术研究进展

1.4本文的主要研究内容

第二章 双芯光子晶体光纤的相干特性研究

2.1引言

2.2 DC-PCF的结构和特性探究装置

2.3 DC-PCF输出光斑及其模式

2.4 DC-PCF的相干合成分析

2.5 DC-PCF的耦合特性分析

2.6本章小结

第三章 基于DC-PCF的相位调制型传感技术研究

3.1引言

3.2光纤相位调制机理

3.3基于DC-PCF的Mach-Zehnder干涉仪

3.4基于DC-PCF的弯曲传感实验研究

3.5基于DC-PCF的温度传感实验研究

3.6本章小结

第四章 基于DC-PCF的激光多普勒测速技术研究

4.1引言

4.2激光多普勒测速原理

4.3基于DC-PCF的激光多普勒测速实验系统

4.4基于DC-PCF的多普勒测速系统可行性分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文结论和展望

5.2 本论文的创新点

参考文献

致谢

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