基于长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率传感研究

摘要

本文首先根据光纤三层介质模型和长周期光纤光栅（LPFG）全矢量耦合模方程的理论分析，针对纤芯存在光致双折射的LPFG，利用其输出光的偏振态的斯托克斯参数与环境折射率（SRI）的关系，提出两种SRI测量的新方法。一种是基于LPFG偏振特性的单一波长SRI传感测量方法，另一种是基于LPFG偏振特性的多波长SRI测量方法。本文的主要研究内容包括：
　　（1）传统的基于LPFG的SRI传感器需要使用宽带光源，用来追踪随着SRI的改变而发生的谐振波长的偏移。为了增加一种使用可调谐激光光源进行传感测量的方法，并且使得测量曲线获得较大的线性范围，本文针对纤芯存在光致双折射的LPFG，提出一种测量SRI的方法。利用LPFG全矢量耦合模方程，分析了输出光偏振态的斯托克斯参数与SRI的关系。从入射光波参数和LPFG参数两个方面分析此测量方法，分析表明：波长范围为1690nm-1710nm的任意完全偏振光波入射包层半径为20.75μm的薄包层LPFG，其纤芯模式与一阶三次包层模式发生耦合，在SRI1到1.46范围内呈现良好的线性传感特性，其探测灵敏度为0.02588/RIU（RIU为单位折射率）。本研究结果可进一步应用于SRI1到1.33范围内的湿度和气体折射率测量。
　　（2）对于现有的利用可调谐激光器来实现传感测量的方法以及传统的LPFG传感器测量方法，其SRI的线性测量范围通常是1.32到1.46，线性范围小，为了使测量曲线获得较大的线性范围，本文利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的LPFG的单波长SRI传感测量方法。波长约为LPFG谐振波长的完全偏振光作为入射光波，通过分析不同SRI下输出光的偏振态在邦加球上与参考点(对应于SRI=1)间球面距离的变化可以测量SRI。分析表明在SRI1到1.30范围内，包层半径为20.75μm的LPFG传感器具有良好的线性特性和较高的灵敏度0.356/RIU，其有别于已有的LPFG传感器，可应用于湿度和气体的折射率测量，为进一步利用纤芯存在光致双折射的LPFG偏振特性进行传感测量提供了理论基础。

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第一章 绪论

1.1长周期光纤光栅的简介

1.1.1长周期光纤光栅的发展历程和分类

1.1.2长周期光纤光栅的理论研究

1.2长周期光纤光栅的应用现状分析

1.2.1长周期光纤光栅的偏振相关损耗特性的研究现状分析

1.2.2长周期光纤光栅的传感特性的研究现状分析

1.3论文的主要内容和创新点

1.3.1论文的主要内容

1.3.2论文的主要创新点

第二章 长周期光纤光栅的偏振特性及其理论基础

2.1光学偏振现象分析

2.1.1偏振现象的成因

2.1.2偏振的数学描述

2.1.3斯托克斯矢量和邦加球定义

2.2长周期光纤光栅的偏振相关损耗

2.2.1光致双折射的分类

2.2.2偏振相关损耗的来源与定义

2.3长周期光纤光栅的基本理论

2.3.1单模光纤的三层介质模型的模式理论

2.3.2全矢量耦合模方程

2.4本章小结

第三章 基于长周期光纤光栅偏振特性的多波长环境折射率传感研究

3.1长周期光纤光栅的光致双折射

3.1.1纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的理论分析

3.1.2纤芯存在光致双折射的影响

3.2多波长环境折射率测量方法

3.2.1长周期光纤光栅的输出偏振态的理论分析

3.2.2传感测量的具体步骤

3.3 MATLAB仿真结果及特性分析

3.3.1设计实例

3.3.2长周期光纤光栅的结构参数对传感测量的影响

3.3.3入射光参数对传感测量的影响

3.4本章小结

第四章 基于长周期光纤光栅偏振特性的单一波长环境折射率传感研究

4.1单一波长环境折射率测量方法

4.2 MATLAB仿真结果及特性分析

4.2.1仿真结果分析

4.2.2多波长与单一波长环境折射率测量方法对比分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢