局域結(jié)構(gòu)控制在線型光纖干涉儀研制與傳感應(yīng)用.pdf

1、通過(guò)光纖局域結(jié)構(gòu)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)光纖中光傳輸控制，進(jìn)而在單根光纖中實(shí)現(xiàn)各種干涉、形成具有特異性能的在線型光纖干涉儀，這是許多光纖功能器件實(shí)現(xiàn)的重要途徑。本文以獲取結(jié)構(gòu)靈巧、尺寸小、性能穩(wěn)定、制作成本低、使用便捷的高敏在線型光纖纖干涉儀為目標(biāo)，以光纖干涉儀結(jié)構(gòu)更新為突破口，針對(duì)在線型光纖干涉儀的設(shè)計(jì)、制作及傳感性能進(jìn)行研究。本文主要研究工作及其成果如下:
　　首先，通過(guò)簡(jiǎn)介光纖干涉儀發(fā)展明晰其分類(lèi)并規(guī)范其名稱(chēng)，界定“在線型”的具體指向，強(qiáng)

2、調(diào)了光纖干涉儀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的重要影響。以闡述各種光纖局域結(jié)構(gòu)的控制技術(shù)，為本文光纖局域結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn)做鋪墊。在介紹光纖模式特性及有效折射率概念和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，描述了光纖區(qū)域結(jié)構(gòu)突變的波導(dǎo)耦合特性，為實(shí)現(xiàn)光束傳輸控制并形成光纖干涉儀提供理論指導(dǎo)。在總結(jié)各種在線型光纖干涉儀理論的基礎(chǔ)上，借鑒干涉的空間頻譜分析技術(shù)分析光纖干涉儀的光程差，為深入理解和分析局域結(jié)構(gòu)控制在線型光纖干涉儀的形成機(jī)理、傳感性能提供方法支持。
　　然后，基于在

3、線型光纖模式馬赫-曾德干涉儀(IL-FMMZI)基本原理，提出了基于熔凸雙錐對(duì)(UFBTP)的IL-FMMZI高敏折射率、彎曲傳感器。采用UFBTP干涉區(qū)寫(xiě)入光纖布拉格光柵(FBG)方法，實(shí)現(xiàn)了折射率-溫度和彎曲-溫度的同時(shí)測(cè)量，有效解決了溫度交叉敏感問(wèn)題。為進(jìn)一步提高UFBTP的折射率靈敏度，提出利用火焰掃描拉錐法和氫氟酸腐蝕成錐法增強(qiáng)UFBTP的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度。在1.33～1.41折射率范圍，UFBTP實(shí)驗(yàn)靈敏度可達(dá)-48nm/RIU;

4、彎曲靈敏在特定曲率范圍內(nèi)，達(dá)到了-19nm/m-1。干涉區(qū)成錐可使UFBTP的折射率響應(yīng)靈敏度提升2倍以上。
　　進(jìn)而，提出并實(shí)現(xiàn)了微光纖(MF)與常規(guī)單模光纖(SMF)的突變?nèi)劢?，MF最小直徑可達(dá)16μm。通過(guò)加工突變的光纖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)腔在線型非本征光纖法-珀干涉儀(Il-EFFPI)和端頭式在線型本征光纖法-珀干涉儀(IL-IFFPI)，并對(duì)它們的光譜及傳感特性進(jìn)行了研究。研究表明，MF熔接的開(kāi)腔IL-EFFPI的應(yīng)力響應(yīng)特

5、性取決與MF的直徑和長(zhǎng)度，而其折射率響應(yīng)則與MF的參數(shù)無(wú)關(guān);對(duì)于腔長(zhǎng)為～21μm、MF直徑為44μm的IL-EFFPI，其折射率靈敏度在1.33附近為1331nm/RIU，應(yīng)力靈敏度可達(dá)167.4nm/N。MF熔接的端頭式IL-IFFPI的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整空間大，適合于小空間環(huán)境參數(shù)探測(cè);對(duì)于腔長(zhǎng)為～136μm的IL-IFFPI，其在25℃～1000℃溫度范圍內(nèi)靈敏度達(dá)到15.3pm/℃，且線性響應(yīng)良好。
　　最后，采用MF與SMF的

6、突變?nèi)劢臃椒?，?shí)現(xiàn)了兩類(lèi)在線型光纖MZI，即在線型光纖多模MZI(IL-FMMZI)和在線型光纖微腔MZI(IL-FCMZI)，并進(jìn)行相應(yīng)折射率和溫度的傳感特性研究。對(duì)于腔長(zhǎng)為～10mm、MF直徑為～47μm的IL-FMMZI，其折射率靈敏度在1.33～1.38之間達(dá)到436.58nm/RIU。對(duì)于腔長(zhǎng)為～688μm的IL-FCMZI，其折射率靈敏度在1.4444～1.4462區(qū)間高達(dá)-126056nm/RIU，溫度靈敏度為～31 pm