基于S型锥马赫—普德尔干涉仪光纤传感器研制及特性研究

摘要

光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪作为最重要的光纤传感器件之一，在光传感领域正发挥着愈来愈重要的作用。近年来，随着制作光纤传感器的技术不断进步，人们对新型光纤传感器的要求不断提高，并向着高灵敏度、强适应性、结构灵巧、制作简便等高标准要求发展。其中，S型锥M-Z干涉仪以其结构精巧、折射率和横向应力响应灵敏度高等优点，在众多光纤传感器中脱颖而出，成为人们关注的重点，并在近期取得了一些令人感兴趣的研究成果。然而，如何实现光纤M-Z干涉的多参量传感测量，一直是其推向实用化的难点。
　　本文针对目前光纤M-Z干涉仪的研究现状进行了总结，对S型锥的理论模型、结构设计、实验制作、光谱性质以及传感特性进行了较为系统的研究。一方面，设计并制作了由S型锥分别与长周期光纤光栅(LPFG)和光纤布喇格光栅(FBG)组合的两种新型光纤M-Z传感器，实现了温度-折射率和温度-应力的双参量测量。另一方面，光子带隙光纤(PBGF)的出现，极大地推动了光纤在传感领域的应用，利用拉锥技术可改变PBGF的导光特性，通过控制锥形结构参数能灵活控制光纤传导模式，由此本文设计并制作出基于全固光子带隙光纤(AS-PBGF)的M-Z干涉仪，并进行了温度传感研究。本文主要研究工作及其成果如下:
　　1.基于光束传播法(BPM)，模拟分析了S型光纤M-Z光线传输过程及不同结构参数对其干涉传输谱特性的影响。研究表明:S型锥的长度、错位量、锥腰直径等参数均会不同程度地影响干涉谱的性质，如插入损耗、自由光谱范围和条纹对比度等，实际应用中可视具体情况选择合适的S型锥参数制作干涉仪。
　　2.实验制作出一种基于S型锥与LPFG组合的新型M-Z干涉仪传感器，实现了折射率与温度双参量同时测量。该传感器具有结构简单、造价低廉、测量灵敏度高等优点;其中，S型锥的折射率灵敏度达311.48nm/RIU，温度灵敏度为12.87pm/℃;LPFG的折射率传感响应与S型锥相反，其灵敏度为-52.57nm/RIU，温度灵敏度为45.87pm/℃。上述实验结果与理论分析相符。
　　3.实验制作一种基于S型锥M-Z干涉仪内嵌FBG传感器，实现了应力与温度双参量同时测量。该传感器具有结构灵巧、造价低廉、测量灵敏度和测量精度高等优点;其中，S型锥的应力灵敏度达-48.56842nm/N，温度灵敏度为14.71pm/℃; FBG的折射率传感响应与S型锥相反，其应力灵敏度为1.30588nm/N，温度灵敏度为10.13pm/℃。实验测量结果与理论计算相符。
　　4.实验制作了一种新型基于AS-PBGF的S型锥M-Z干涉仪，理论研究了其干涉机理，并进行了温度和折射率的传感实验。研究表明:这种新型S型锥M-Z干涉仪具有优良的温度特性，与单模光纤拉制的S型锥干涉仪相比可提高5倍;与其他纯石英光纤温度传感器相比，则更具温度传感优势，其应用潜力巨大。

目录

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摘要

第一章 绪论

第一节 光子晶体光纤

1．1．1 折射率引导型光子晶体光纤

1．1．2 光子带隙光纤

第二节 光纤传感技术

1．2．1 光纤光栅

1．2．2 干涉型传感器

第三节 全光纤M-Z干涉仪

第四节 课题研究意义及主要内容

1．4．1 课题研究意义

1．4．2 研究内容和创新点

第二章 光纤传感理论

第一节 光纤光栅基本理论

第二节 锥形光纤M-Z干涉理论

2．2．1 光纤M-Z干涉仪理论

2．2．2 S型锥M-Z干涉仪的干涉理论

本章小结

第三章 基于S型锥M-Z干涉仪与光纤光栅的双参量测量

第一节 S型锥M-Z干涉仪的制作

第二节 基于S型锥串联LPFG实现温度与折射率同时测量

3．2．1 LPFG的写制

3．2．2 光谱特性分析

3．2．3 传感特性分析

第三节 基于S型锥内嵌FBG实现应力和温度同时测量

3．3．1 FBG的写制

3．3．2 光谱特性分析

3．3．3 传感特性分析

本章小结

第四章 基于全固光子带隙光纤S型锥M-Z干涉仪

第一节 全固光子带隙光纤的模式及传导特性

4．1．1 理论分析方法

4．1．2 模式传导特性

第二节 全固光子带隙光纤S型锥M-Z干涉仪

4．2．1 全固光纤熔接

4．2．2 干涉机理分析

4．2．3 温度传感特性

本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果