基于多模干涉反射式光纤折射率传感器研究

作     者：李立柱 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于清旭

授予年度：2012年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：多模干涉 无芯光纤 光束传播法 反射式 折射率传感器 

摘      要：本文从理论和实验上研究了无芯光纤中的多模干涉效应,并应用这种效应制成反射式光纤折射率传感器。 理论上,应用柱坐标系下广角光束传播法模拟多模光纤中的多模干涉效应和自映像效应。详细研究了多模光纤的长度、半径及输入光波长对折射率灵敏度的影响。当光由单模光纤传输到无芯光纤时,有17阶模式能够被强激发,每阶模式具有不同的耦合效率和不同的模式激发角度。计算了光传输到不同位置时,不同模式之间的相位差。采用广角光束传播法模拟传输损耗与无芯光纤的长度和待测溶液折射率之间的关系,确定了无芯光纤的最佳长度。在确定了无芯光纤的最佳长度后,在特定的波长扫描范围内得到了传感器的输出光谱,并进一步得出干涉波谷的特征波长与待测溶液折射率的一一对应关系。 基于理论模拟的结果,选择无芯光纤长度为17mm,将无芯光纤与作为输入端的单模光纤对芯熔接。采用Si720光纤波长查询仪作为波长解调的设备。实验结果表明,实验测得的输出光谱与应用广角光束传播法得到的理论输出光谱吻合的很好。这种折射率传感器的有效传感范围是1.33-1.45。当待测溶液的折射率小于1.38时,干涉波谷的特征波长与环境溶液的折射率近似成线性关系,线性拟合的相关系数为0.9947,线性拟合的斜率为141.75,即该传感器在环境溶液折射率小于1.38时的折射率灵敏度为141.75nm/RIU,对应的折射率分辨率为2.82×10-5。当待测溶液的折射率高于1.38时,折射率灵敏度显著提高呈高阶曲线形式上升。这种折射率传感器的最高灵敏度可达1473.70nm/RIU,对应的最高分辨率为2.71×10-6。