应用于液压传感的光子晶体光纤的研究

摘要

光子晶体光纤，又叫微结构光纤，由于其在色散、高双折射、高非线性、大模场面积、单模单偏振等方面有着很多优异的特性，近年来受到广泛的关注。由于光子晶体光纤展现了这些独到的特性，它们在光纤传感领域也有着越来越广的应用。本论文研究的主要内容就是设计应用于液压传感的光子晶体光纤，即研究和分析在液压环境下光纤的力学和光学特性，设计具有高灵敏度的光子晶体光纤液压传感器，提出新型的液压传感方案，并进行实验验证。基于有限元方法来研究外部加上液压后光纤内部应力分布情况变化，从而得到光子晶体光纤横截面各处折射率的变化情况，通过选取适当的模式来获得液压与某些光学特性的关系，然后设计适用于液压传感的光子晶体光纤，基于光弹性效应原理，采用有限元等方法，分析液压情况下特定光纤的光学特性变化并掌握其规律，利用这些分析结果和规律来设计适用于液压传感的新型光纤，通过上述机理，我们设计了三种光子晶体光纤，同时对这几种光子晶体光纤进行了多方面的光学特性研究及他们的液压传感特性。论文的具体构架分为以下几个部分:
　　第一章绪论，主要介绍了光纤的产生，分类，光子晶体光纤的原理及特性介绍，同时还对光子晶体光纤在传感领域的应用进行介绍。
　　第二章主要介绍了光子晶体光纤数值模拟原理及其计算方法，同时也介绍了设计应用于液压传感的光子晶体光纤所涉及的原理，包括光弹效应及耦合模理论等。
　　第三章提出了一种新的传感方案，即通过耦合模理论来研究光纤的传感，设计了一种双芯光子晶体光纤，通过设计两个纤芯，使信号光在纤芯传播的时候发生耦合，同时外部加上液压的情况下，模式耦合会发生变化，通过研究因为液压的作用导致输出光谱的变化，得出了传感的灵敏度情况，最后得到了该种光子晶体光纤的液压传感灵敏度约为3.47pm/MPa。
　　第四章第一节提出了一种应用于液压传感的双芯双孔光子晶体光纤，这种光纤是对前一种光子晶体光纤的改进，其横截面中心是前一种光子晶体光纤的结构，但是它的两侧还有两个大的空气孔用来增大液压的灵敏度。当我们取10cm的该种光纤作为液压传感器，考虑液压从0MPa到500MPa时，通过计算研究可以得到了这种双芯双孔的光子晶体光纤的液压灵敏度为32pm/MPa，比没有加大孔情况下提高一个数量级。第二节中提出了第三种双芯边孔光子晶体光纤，该设计直接将两个大孔与中间纤芯部分相邻，这样使得液压引起的折射率变化更为明显，我们取8cm的这种光纤作为液压传感器，其液压传感灵敏度达到110.8pm/MPa。
　　第五章是论文的总结与展望，介绍了本论文的主要成果及不足的地方，同时对于以后可以继续做的工作进行展望。