基于Lyot滤波与模式干涉的光纤扭转传感器研究

作     者：郑佚超 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲士良

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤传感器 扭转传感 Lyot滤波器 模式干涉 偏振 

摘      要：光纤传感器具有电磁干扰小、体积小、重量轻、测量距离远等优点,在航空航天工业、遥感领域、智能物联网和测量仪器中实现了广泛应用。本文提出了基于Lyot滤波与模式干涉的光纤传感结构。从理论建立、模型计算和实验验证的角度对新型光纤扭转结构的扭转传感性能进行了研究,并分析了其他物理参量对新型传感器性能的影响,为光纤扭转传感器的设计、制造和应用提供了新的思路。本文提出了一种基于Lyot滤波器的新型扭转传感器,该传感器采用高双折射光纤作为偏振分离介质,输出偏振态的旋转率等于施加在高双折射光纤上的扭转率,灵敏度高达90.072 d B/rad。另一方面,基于偏振干涉在特定位置的相位突变,波长灵敏度获得了极大的提高,达到了15.477 nm/rad。在一个周期内,波长解调与强度解调的测量范围互不重叠,进一步扩大了传感器的有效测量范围,有效解决了高灵敏度传感器扭转角度过大时的光谱变化饱和问题。本文从理论上设计并实验验证了一种基于悬芯光纤与Lyot滤波的新型扭转传感器,同时实现了偏振干涉与模式干涉。通过在两个光纤内置偏振器之间插入一段扭曲的悬芯光纤,实验制作了悬芯光纤传感结构,并在光纤两端引入熔接塌陷以加强模式失配,干涉的主要分量为两个正交偏振的纤芯基模和悬芯模式。基于悬芯光纤的偏振选择性耦合,该传感器实现了偏振干涉和模式干涉的相互作用,并获得了更高的灵敏度。该传感器仅通过调节入射光的偏振角度即可实现干涉共振增强和游标效应,灵敏度高达171.97 d B/rad与57.32 nm/rad。并且该结构游标效应的实现无需复杂的串联结构或并联结构,提高了光纤结构的机械强度。此外,该传感器能够实现对扭转的矢量测量,并且轴向应变的串扰极低,仅为7.47×10 rad/με。