基于全光纤双折射滤波器的灵敏度增强型传感应用研究

作     者：田荣 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张海伟

授予年度：2023年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：双折射光纤滤波器 偏振干涉 水凝胶 灵敏度增强 光纤传感器 

摘      要：由于光纤传感领域仍然需要突破面向实际应用场景的高精度和高灵敏度问题,探索适宜的测量方案和提高传感性能是目前的主要研究方向。本文在光纤传感系统的背景下,理论研究了基于保偏光纤的双折射型滤波器,并进行了数值分析和模拟仿真。以研究滤波器的性能为突破点,面向光纤传感领域对被测参数高灵敏度的应用需求,优化设计了传统光纤滤波器并对其进行了实验测试。在此基础上,开展了所搭建双折射光纤滤波器的灵敏度增强型传感应用研究工作,实现了光纤传感器性能的提升。主要研究内容如下:1、提出了基于45°拼接的PM Lyot双折射光纤滤波器,基于该滤波器研制了全光纤高灵敏度位移传感器,并对其传感性能进行了实验研究。利用琼斯矩阵推导出该滤波器的透射谱函数,仿真结果表明,PM光纤的双折射和熔接角分别对位移灵敏度和光谱调制深度有明显影响。而且基于Lyot滤波器的传感器具有良好的线性响应。在200μm位移变化范围内,最终获得了122.81 pm/μm的灵敏度,其R大于0.997。此外,传感器与腔内系统兼容,可以缩小线宽并提高信噪比(SNR),从而实现高分辨率传感。实验证明,腔内位移传感器的灵敏度可达60 pm/μm,线宽小于0.05 nm,信噪比高于55 d B。另外,重点分析了无源模式和有源系统的灵敏度及波长稳定性差异。2、研究并搭建了基于45°拼接的PM Lyot滤波器的全光纤温度传感器,阐述了热光效应和热膨胀效应对温度灵敏度的影响,实验获得的温度灵敏度为-1.1nm/℃,R大于0.998。详细介绍了温敏水凝胶的特性及其在光纤传感领域的增敏机理。为了提高温度灵敏度,制作了基于涂覆水凝胶的Lyot滤波器的温度传感器,最终获得的灵敏度为-2.72 nm/℃,R为0.996。分析对比水凝胶涂覆前后的实验结果,涂覆后的温度灵敏度提升了约2.5倍,而且具有更好的波长稳定性。3、对45°拼接的PM Lyot滤波器进行优化设计,提出并搭建了一种全光纤类Lyot滤波器。利用琼斯矩阵对该滤波器的光谱特性进行模拟仿真,分析指出滤波器无需重构光纤,通过调节偏振控制器可以实现滤波带宽的调谐,并得到了实验验证。基于类Lyot滤波设计并研制了光纤传感器,根据保偏光纤对于外界位移和温度的不同响应,实现了同时传感测量。此外,实验研究了不同滤波带宽下的传感性能,结果表明,通过带宽调谐,位移和温度的灵敏度可提升至119.45pm/nm和-1385.12 pm/℃。