基于二阶LoyT-Sagnac干涉仪结构的多参量传感方法与实验研究

摘要

光纤传感器由于其独特的优势，在生活中的各个领域都有着广泛的应用。近年来，随着光纤技术的迅速发展，基于高双折射光纤的Sagnac干涉仪传感器由于其传感结构更加灵活，灵敏度更高，成为传感器的一个重要研究方向。
　　基于高双折射光纤的一阶Sagnac环干涉仪可以制作成光学滤波器、光纤传感器等，相关方面的报道有很多。而基于高双折射光纤的高阶Sagnac环干涉仪的相关研究则仅限于窄带通的梳状滤波器。
　　本文在普通的一阶Sagnac干涉仪的结构和原理基础上，设计了二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构并将该结构运用于传感实验。在一阶Sagnac环内增加另一段高双折射光纤来构成二阶Loyt-Sagnac环，其中一段HBF作为参考光纤，另一段作为传感光纤。当参考光纤和传感光纤分别构成一阶Sagnac环时，它们输出两个光谱交点的波长与二阶Loyt-Sagnac环输出光谱极值点的波长相对应，且该极值点的大小与两光谱的重叠量有关。对光束入射角和HBF的长度进行优化，使该结构的传感器实现对多物理量（温度、应力、压强等）的高精度测量。
　　论文的主要研究内容包括:
　　1、利用Jones矩阵对普通一阶Sagnac环和二阶Loyt-Sagnac环的传输函数进行理论推导;
　　2、分析二阶Loyt-Sagnac干涉仪的传感原理，并对两种不同结构的干涉仪传感器分别进行仿真分析，模拟传感光纤在不同温度、压力和扭曲角条件下，系统输出光谱的变化。仿真结果表明二阶Loyt-Sagnac干涉仪传感器具有更高的温度和压力传感灵敏度;
　　3、搭建二阶Loyt-Sagnac干涉仪传感器的实验平台，在外界温度和扭曲角度分别变化时对实验系统的输出光谱进行分析。实验结果表明，二阶Loyt-Sagnac干涉仪较一阶Sagnac干涉仪传感器具有更高的温度传感灵敏度;二阶Loyt-Sagnac干涉仪的扭曲传感响应特性是正弦变化的曲线。再对温度和扭曲角度同时变化时系统输出光谱进行分析，结果表明:二阶Loyt-Sagnac干涉仪传感器可实现对扭曲角度和温度的同时测量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 光纤Sagnac干涉仪

1．2．1 Sagnac效应

1．2．2 光纤Sagnac干涉仪原理

1．3 光纤Sagnac干涉仪的应用

1．3．1 干涉型光纤陀螺仪

1．3．2 光纤电流互感器

1．3．3 分布式光纤传感器

1．4 光纤Sagnac干涉仪研究现状与发展

1．5 本文主要研究内容

第2章 一阶Sagnac干涉仪和二阶Loyt-Sagnac干涉仪传输函数的理论分析

2．1 几种光学器件的Jones矩阵

2．1．1 偏振控制器

2．1．2 光纤耦合器

2．1．3 高双折射光纤

2．2 一阶Sagnac干涉仪传输函数

2．2．1 理论分析

2．2．2 数值仿真和实验

2．3 二阶Loyt-Sagnac干涉仪传输函数

2．3．1 理论分析

2．3．2 数值仿真和实验

2．4 本章小结

第3章 二阶Loyt-Sagnac干涉仪的多参量传感原理与仿真

3．1 Sagnac干涉仪的传感原理

3．2 温度传感仿真

3．2．1 一阶Sagnac干涉仪的温度传感

3．2．2 二阶Loyt-Sagnac干涉仪的温度传感

3．3 压力传感仿真

3．3．1 压力双折射系数仿真

3．3．2 一阶Sagnac干涉仪的压力传感

3．3．3 二阶Loyt-Sagnac干涉仪的压力传感

3．4 扭曲传感仿真

3．5 本章小结

第4章 二阶Loyt-Sagnac干涉仪的温度与扭曲传感实验

4．1 实验平台的搭建

4．1．1 宽带光源

4．1．2 光纤耦合器

4．1．3 高双折射光纤

4．1．4 光纤旋转器

4．1．5 光谱分析仪

4．2 温度传感实验

4．2．1 一阶Sagnac干涉仪的温度传感实验

4．2．2 二阶Loyt-Sagnac干涉仪的温度传感实验

4．3 扭曲传感实验

4．4 温度与扭曲同时测量的实验

总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文