DC-PCF激光多普勒技術(shù)及其在微多相流中的應(yīng)用研究.pdf

1、雙芯光子晶體光纖(Dual-core Photonic Crystal Fiber, DC-PCF)是近年來發(fā)展起來的一種新型全內(nèi)反射型光子晶體光纖，由于具有雙折射性高、非線性好、單模傳輸?shù)泉?dú)特性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于曲率、溫度、壓力、扭矩和速度傳感等領(lǐng)域。本論文利用DC-PCF的相干特性，將其應(yīng)用到激光多普勒系統(tǒng)中，開發(fā)出一種新型的光纖激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)。由于DC-PCF具有兩個(gè)傳輸纖芯共享一個(gè)包層的結(jié)構(gòu)，因此可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，減少光路

2、調(diào)節(jié)。而且速度測(cè)試探頭進(jìn)一步微型化，易于嵌入MEMS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)微/納米流體的速度測(cè)量。
　　針對(duì)DC-PCF激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)，本文對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：
　?。?）DC-PCF的傳輸和相干特性。實(shí)驗(yàn)研究了DC-PCF的光斑輸出特性和相干特性，結(jié)果表明光纖出射兩個(gè)獨(dú)立的光斑，光斑強(qiáng)度近似成高斯分布，兩個(gè)光斑的強(qiáng)度之比約為1:1。在距離光纖端面約30m后，兩獨(dú)立光斑相互疊加后形成清晰的5條干涉條紋，隨著與光纖

3、端面的距離的增加，干涉條紋的間距逐漸增大。在距離2.0 cm處，±2級(jí)亮條紋與0級(jí)、1級(jí)亮條紋的強(qiáng)度之比分別為1:3.4和1:2.4。而計(jì)算結(jié)果表明±2級(jí)亮條紋和0級(jí)、1級(jí)亮條紋的強(qiáng)度之比分別為1:4.5和1:3.5?？梢?，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果強(qiáng)度比小，主要是由于實(shí)驗(yàn)過程中噪聲引入所致。
　?。?）DC-PCF探頭加工和系統(tǒng)搭建。采用高壓放電技術(shù)對(duì)光纖端面進(jìn)行熔融處理，制作微透鏡，可優(yōu)化雙芯光子晶體光纖形成的控制體結(jié)構(gòu)，也可用于

4、提高光纖接收光散射信號(hào)。設(shè)計(jì)并制作多粒子發(fā)射系統(tǒng)，分析粒子光散射特性，確定粒子散射信號(hào)接收方式，搭建和完善了基于雙芯光子晶體光纖的激光多普勒速度測(cè)試系統(tǒng)。
　?。?）基于DC-PCF激光多普勒的速度測(cè)試。分析基于DC-PCF的激光多普勒單點(diǎn)和多點(diǎn)速度測(cè)量原理，確定前向散射接收方式，并進(jìn)行單點(diǎn)、兩點(diǎn)和三點(diǎn)速度測(cè)試。單點(diǎn)測(cè)量時(shí)，粒子平均速度為0.980 m/s，相對(duì)不確定度為0.5％；兩點(diǎn)測(cè)量時(shí)，粒子平均速度分別為1.761、1.76

5、9 m/s；三點(diǎn)測(cè)量時(shí)，粒子平均速度分別為2.106、2.084、2.097 m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DC-PCF的激光多普勒速度儀可進(jìn)行多點(diǎn)速度測(cè)量。
　?。?）基于DC-PCF的激光多普勒速度儀嵌入MEMS的速度測(cè)量。設(shè)計(jì)、加工微系統(tǒng)裝置，并嵌入DC-PCF。通過選擇跟隨性良好的粒子，應(yīng)用多普勒速度測(cè)量技術(shù)對(duì)流體的速度進(jìn)行測(cè)量，獲得流體的速度為0.113m/s。驗(yàn)證結(jié)果表明基于DC-PCF的激光多普勒技術(shù)可以應(yīng)用于MEMS，