基于多模干涉耦合器的光纤传感器与少模光纤激光器的研究

摘要

以光纤多模干涉耦合器为基础设计的光纤传感器因其结构简洁紧凑、成本低廉、传感性能优良等优点在智能化、自动化及物联网中具有重要意义，并在近年来得到广泛研究。此外光纤研制技术的快速发展促使少模光纤的研制工艺日渐成熟，同时基于模式干涉效应设计的新型梳状滤波器被应用在光纤激光器中，在多波长、可调谐光纤激光器中具有不可忽视的潜在价值。本文在国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金项目的支持下，主要的创新性成果如下:
　　1.建立单模光纤级联偏芯熔接滤波结构与无芯-单模偏芯熔接结构的标量仿真模型，分析并优化了少模/双模光纤偏芯耦合结构的滤波特性，室温下实现了稳定的单波长、双波长与三波长的激光激射。结合偏芯光纤熔接结构提出并优化了增益与滤波同时进行的掺铒少模光纤梳状滤波器，在室温下采用单向泵浦结构、双向泵浦结构与非线性偏振旋转效应抑制模式竞争技术研究了不同的多波长激射特性。
　　2.提出并实现了基于节点熔融型单模-空芯光纤-单模滤波结构的单波长光纤激光传感系统，同时建立了单模-无芯-空芯缓变耦合结构的传输矩阵仿真模型，优化了滤波器共振波长与环境折射率的响应特性，获得的最大线性折射率敏感度约为316.2nm/RIU，进而在试验中建立基于该滤波器的光纤环型腔激光器，改善了共振波长3dB带宽较大带来的测试反应速度较慢的问题，分析并研究了激射波长与外界环境折射率的关系。
　　3.提出并优化了基于无芯-多层光纤-无芯光纤结构的高灵敏度曲率传感结构，提高了共振波长随曲率的依赖特性，试验中在0.3m-1到2.14m-1的范围内获得了-39.02nm/m-1的线性曲率敏感度，且局部灵敏度高达-43nm/m-1。
　　4.采用单模光纤氢气火焰拉锥的方优化了采用光纤熔接机制作Taper脆弱与控制参数难以把握的问题，提出了基于级联双缓变弯曲长锥结构的单模光纤双长锥梳状滤波器，并结合1550nm波长不同弯曲状态下长锥结构输出光斑的测量结果对弯曲缓变耦合结构进行简要的分析，优化后该滤波器具有良好的稳定性，并在室温下实现了稳定的双波长与三波长的激光激射。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 几种典型的光纤滤波器

1．2．1 光纤光栅

1．2．2 法布里-珀罗干涉仪

1．2．3 保偏光纤的Sagnac环镜结构

1．2．4 马赫-曾德尔干涉仪

1．3 光纤滤波器在多波长激光器中的应用

1．4 光纤滤波器研究现状

1．5 本文的结构安排

2．1 引言

2．2 光纤模场的电磁场理论

2．2．1 麦克斯韦方程

2．2．2 多包层光纤的理论分析

2．2．3 模式的激发与耦合

2．3 单模光纤偏芯熔接的理论分析及其应用

2．3．1 偏芯光纤入射模场的傅立叶分析

2．3．2 熔接参数对耦合系数的影响

2．3．3 基于单模光纤偏芯滤波器的理论分析与实验研究

2．3．4 少模光纤偏芯熔接结构模式选择性激发与应用

2．4 无芯光纤对模式激发与耦合的影响

2．4．1 无芯光纤微透镜的射线分析

2．4．2 无芯光纤直径对模式耦合的激发与影响

2．4．3 基于SNS-偏芯结构的光纤滤波器件的分析与实验研究

2．4．4 基于自成像效应的单模-无芯-单模滤波器

2．5 空芯光纤滤波器

2．5．1 空芯光纤与无芯光纤特性分析

2．5．2 单模-空芯光纤强熔接功率的模式激发与耦合

2．5．3 自动熔接模式单模-空芯光纤-单模滤波器

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 基于单模光纤偏芯熔接结构的折射率传感器

3．2．1 模式对外界折射率敏感度分析

3．2．2 单模偏芯熔接结构的折射率敏感度试验

3．3 基于SNS-单模偏芯结构的光纤传感器

3．3．1 弯曲响应特性

3．3．2 应力响应特性

3．4 基于多包层光纤的高敏感度传感器

3．4．1 双环芯多层光纤的模式耦合理论

3．4．2 单模-无芯-多层光纤结构的模式激发与耦合

3．4．3 高敏感度曲率传感研究与温度特性

3．4．4 高敏感性振动响应实验

3．5 基于空芯光纤滤波器的传感研究

3．5．1 空芯光纤模式有效折射对外界环境的敏感性

3．5．2 空芯光纤滤波器的折射率敏感性与应力敏感性

3．5．3 空芯光纤滤波器环腔激光器折射率敏感度研究

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 少模光纤的多波长光纤激光器

4．2．1 环腔光纤激光结构与实验研究

4．2．2 基于少模光纤的多波长光纤激光器

4．2．3 基于双模环芯光纤的双波长激光器

4．3 基于椭圆芯光纤的双波长和多波长光纤激光器

4．3．1 椭圆芯光纤模式耦合与激发

4．3．2 椭圆芯光纤的模式激发及偏振效果分析与研究

4．3．3 基于偏芯耦合结构的可调谐光纤激光器

4．4 掺铒少模光纤激光器

4．4．1 掺铒少模光纤的模式特性及放大作用

4．4．2 掺铒少模光纤滤波器的传输光谱特性

4．4．3 掺铒少模光纤滤波器的环腔激光器

4．4．4 激光输出特性

4．4．5 基于非线性偏振旋转效应的多波长掺铒少模光纤激光器

4．5 光纤双长锥级联滤波器及其应用

4．5．1 双长锥光纤滤波器

4．5．2 长锥光纤滤波器的环腔光纤激光器

4．6 强耦合波双芯光纤的多波长光纤激光器

4．6．1 强耦合波双芯光纤的Sagnac环镜滤波器

4．6．2 基于强耦合波双芯光纤的Sagnac滤波器的光纤激光器

4．7 本章小结

5．1 引言

5．2 光纤光栅的耦合模理论

5．3 基于少模光纤光栅的研究

5．3．1 少模光纤布拉格光栅

5．3．2 双模光纤的长周期光纤光栅

5．4 少模光纤布拉格光栅的线型腔光纤激光器

5．4．1 激光器实验结构

5．4．2 激光器输出特性分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 本论文主要研究成果

6．2 下一步拟进行的工作

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集