基于模间干涉光纤结构的传感特性研究

作     者：柯诚然 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐荣辉

授予年度：2023年

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

主      题：模间干涉 直接熔接 光纤拉锥 温度 折射率 

摘      要：近年来,由于模间干涉型光纤传感器通过自身就能同时实现探测臂和参考臂的功能,只需要利用光纤就能完成不同模式光间的干涉,具有结构紧凑、光路简单和制作方便等优点,因此受到了越来越多科学家的关注。本文主要利用特种光纤与单模光纤拼接法和氢氧火焰熔融拉锥法制作了两种模间干涉型光纤传感器,并对其传感特性进行了理论分析和实验研究。本文主要研究内容有:1、研究并设计了两种基于模间干涉光纤结构的传感器,阐述了它们的基本结构和制备方法,并对其传感原理进行了理论分析,为之后的实验研究奠定了基础。首先利用光纤直接熔接技术制备了一种基于单模光纤–空芯光纤–四芯光纤–空芯光纤–单模光纤(SMF–HCF–FCF–HCF–SMF)结构的模间干涉型光纤传感器,通过对RSOFT软件仿真结果和光谱进行分析,探究了不同光纤的长度对传感器透射光谱的影响。接着利用光纤熔融拉锥技术制备了一种基于单模光纤–多模光纤–锥形四芯光纤–多模光纤–单模光纤(SMF–MMF–TFCF–MMF–SMF)结构的锥形传感器,为了进一步提高传感器的传感性能,提出将锥形区域与温度敏感材料PDMS相结合的方法,探究了PDMS材料的基本参数及制备过程。2、通过实验研究了基于SMF–HCF–FCF–HCF–SMF结构传感器的折射率和温度传感特性。实验结果表明,该传感器在1.332～1.412的折射率范围内最大折射率灵敏度为275.30 nm/RIU,在25℃～55℃的温度范围内最大温度灵敏度为94.4 pm/℃。同时,由于不同干涉谷对外界折射率和温度灵敏度响应不同,利用灵敏度矩阵对其进行解调,实现了对折射率和温度的同时测量。3、利用基于SMF–MMF–TFCF–MMF–SMF结构的传感器进行了温度传感实验研究,并通过实验探究了包裹PDMS材料对传感器温度传感特性的影响。得到以下重要结论:在25℃～55℃的温度范围内,未包裹PDMS的传感器的最大温度灵敏度为72.2 pm/℃,而包裹了PDMS的传感器的最大温度灵敏度为186.2 pm/℃,比未包裹PDMS的传感器的温度灵敏度提高了2.6倍。同时,运用PDMS包裹锥形光纤也可以起到保护锥形结构、提高传感器的机械强度的作用。