基于光纤布拉格光栅快慢光灵敏度增强的传感器研究

摘要

光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings，FBGs)凭借其结构简单、测量精度高、易于复用与集成、能够实现分布式传感等诸多优点，在光纤通讯、光纤激光器以及光纤传感等领域受到研究者广泛关注。在光纤传感领域，现基于光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪探测法的传感器虽然实现了高灵敏度的应变测量，但传感器的灵敏度受干涉仪臂长差的限制。研究表明，利用光纤中的快慢光效应可以提高干涉仪的灵敏度。
　　本论文根据FBG在光纤传感领域的独特优势以及快慢光技术在高精度传感领域的应用，提出了基于FBG快慢光灵敏度增强的干涉型光纤传感系统。
　　在实验上，基于迈克尔逊干涉仪搭建了均匀FBG慢光的传感系统。首先，通过改变入射光波长，对传感器的相移灵敏度与群延时的变化关系进行了研究。通过对比信号光的测量相位变化、理论群延时随波长的变化曲线得知，传感器的相移灵敏度与群延时有很好的关联性;与传统的FBG传感器相比，传感器的灵敏度将会得到增强。其次，在上述实验的基础上，在干涉仪中引入有源均匀FBG，通过改变泵浦光功率，对传感器的相移灵敏度与群延时的变化关系进行了研究，得出了同样的结论。本实验研究的开展将为后续高灵敏度的双洛伦兹光纤布拉格光栅(double-Lorentzian fiber Bragg grating，DL-FBG)快慢光传感的实验研究奠定基础。
　　在理论上，研究了DL-FBG中的快慢光效应，基于迈克尔逊干涉仪构建了两臂分别对应DL-FBG快光和慢光的推挽式探头结构的高灵敏度传感模型，推导出传感器的灵敏度与信号光群延时、光栅反射率之间的关系，并以期通过有源FBG快慢光技术进一步提高其灵敏度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 光的相速度和群速度

1．3 光纤中的快慢光方案

1．3．1 受激布里渊散射

1．3．2 光纤法布里-珀罗腔

1．3．3 光纤环形谐振腔

1．3．4 光纤布拉格光栅

1．4 基于光纤快慢光的传感概述

1．4．1 受激布里渊慢光传感

1．4．2 环形谐振腔快慢光传感

1．4．3 布拉格光栅快慢光传感

1．5 论文主要研究内容

第二章 光纤布拉格光栅慢光的基础理论

2．1 光纤布拉格光栅简介

2．2 光纤布拉格光栅的光谱特性

2．2．1 耦合模理论

2．2．2 均匀光纤布拉格光栅的光谱特性

2．2．3 切趾光纤布拉格光栅的光谱特性

2．3 光纤布拉格光栅中的快慢光研究

本章总结

第三章 基于均匀光纤布拉格光栅慢光的传感研究

3．1 光纤布拉格光栅的传感原理

3．1．1 应变传感

3．1．2 温度传感

3．2 有源均匀光纤布拉格光栅的光谱特性

3．3 均匀光纤布拉格光栅慢光的传感系统

3．3．1 均匀光纤布拉格光栅慢光的传感研究

3．3．2 有源均匀光纤布拉格光栅慢光的传感研究

3．4 实验结果与分析

3．4．1 光纤布拉格光栅慢光的实验结果与分析

3．4．2 有源光纤布拉格光栅慢光的实验结果与分析

本章小结

第四章 基于双洛伦兹光纤布拉格光栅快慢光的传感研究

4．1 引言

4．2 双洛伦兹光纤布拉格光栅的光谱及延时特性研究

4．3 双洛伦兹有源光纤布拉格光栅的光谱和延时特性

4．4 双洛伦兹光纤布拉格光栅快慢光的传感研究

本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文