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基于单模—少模—单模光纤干涉仪的全光时间微分器的研究

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基于单模—少模—单模光纤干涉仪的全光时间微分器的研究

作者：张森北京交通大学

学位级别：硕士

在目前的光网络中,传输是光,但信号处理依然是在电域进行。随着信息爆炸时代的来临,电信号处理技术在响应速度、处理带宽等方面的局限性日益凸显,对全光信号处理技术的需求愈发迫切。全光时间微分技术作为全光信号处理技术的重要组成部... 详细信息

在目前的光网络中,传输是光,但信号处理依然是在电域进行。随着信息爆炸时代的来临,电信号处理技术在响应速度、处理带宽等方面的局限性日益凸显,对全光信号处理技术的需求愈发迫切。全光时间微分技术作为全光信号处理技术的重要组成部分,可以直接在光域上对信号做微分运算,避免了光-电-光转换,具有响应速度快、运算速率高等优点,在超高速编码、波形检测、超高速感应控制和超短光脉冲整形等领域具有广泛的应用价值,是未来全光网络的重要组成部分。本论文在对全光时间微分器现有实现方案进行充分研究和分析的基础上,提出了基于单模-少模-单模光纤干涉仪的全光时间微分器实现方案,并对其进行了深入的研究和分析。论文取得的主要成果如下:（1）介绍了全光时间微分器的基本工作原理和性能指标,并对全光时间微分器的现有实现方案进行了总结和分析。（2）提出了基于偏芯熔接型单模-双模-单模光纤干涉仪的全光时间微分器实现方案,分析了纤芯偏移量对微分器阶数的影响;在此基础上,结合实际光纤参数,设计实现了0.265阶和0.347阶全光时间微分器,其处理误差分别为16.39%和19.03%。（3）提出了基于轴对称型单模-四模-单模光纤干涉仪的全光时间微分器实现方案,推导出了单模-四模光纤连接处功率耦合系数与微分器阶数之间的关系;在此基础上,结合实际光纤参数,设计实现了0.82阶、1阶和1.22阶全光时间微分器,其处理误差分别为7.08%、5.63%和13.6%。

关键词：全光信号处理单模-少模-单模光纤干涉仪全光时间微分器偏芯熔接轴对称

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偏芯型光纤微传感器研制

偏芯型光纤微传感器研制

作者：刘继萍黑龙江大学

学位级别：硕士

光纤传感器具有质量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀的特性,被广泛的应用于航空航天、石油勘测、桥梁安全检测、生化分析等方面。偏芯型光纤微传感器由于其可控性强、高灵敏度、体积小等优点逐渐得到了广泛的关注,并在温度、折射率、应变、弯曲... 详细信息

光纤传感器具有质量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀的特性,被广泛的应用于航空航天、石油勘测、桥梁安全检测、生化分析等方面。偏芯型光纤微传感器由于其可控性强、高灵敏度、体积小等优点逐渐得到了广泛的关注,并在温度、折射率、应变、弯曲、加速度、磁场测量等方面都有很好的应用。本文基于模间干涉原理,通过偏芯熔接的方法设计了一种无温度串扰的光纤折射率传感器,采用共差分温度自补偿算法解决了温度与折射率交叉敏感问题,并对其应变、弯曲响应以及工作稳定度进行测试分析。通过对光纤种类、长度、对称和非对称结构以及偏芯量大小对光纤微传感器透射光谱的影响进行制备分析,发现选取细芯光纤、非对称结构偏芯熔接的方法,当偏芯量分别为6.25μm、18.75μm时,可获得稳定的透射光谱以及较大的光谱消光比。通过对光纤微传感器的温度响应以及折射率传感特性进行测试分析,发现该方法制备的光纤微传感器的不同干涉谷对温度的响应具有高达99.12%的一致性,因此采用共差分温度自补偿算法解决折射率和温度交叉敏感问题。该方法可得到更准确的折射率灵敏度(-74.22 nm/RIU),消除了由于温度串扰造成的误差(1.2%),从而提高了光纤折射率传感器的测量准确度。并对光纤微传感器的应变、弯曲响应进行了特性测试分析,得出其应变灵敏度为-1.36 pm/με、0.00581 dB/με,弯曲灵敏度为-3.415 nm/m,具有很小的机械扰动性,当光纤折射率传感器用于机械扰动性较大的环境中仍能够保证测量的准确度。此外,该光纤折射率传感器在2小时之内的波长波动范围为±0.02 nm,强度波动范围为±0.03 dB,具有较高的工作稳定性,满足实际工作需要。

关键词：光纤传感模式干涉偏芯熔接交叉敏感温度自补偿

基于Sagnac环U型单模偏芯光纤传感的研究

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基于Sagnac环U型单模偏芯光纤传感的研究

作者：滕居泰广西师范大学

学位级别：硕士

在众多检测领域,液位和温度的传感检测占据着重要地位,相应的检测手段也多种多样。相比于传统电类传感器,光纤传感器所具有的传感优势使得其发展迅速且应用广泛。其中,单模光纤偏芯熔接所形成的模间干涉与Sagnac环相搭配,用于相关环境... 详细信息

在众多检测领域,液位和温度的传感检测占据着重要地位,相应的检测手段也多种多样。相比于传统电类传感器,光纤传感器所具有的传感优势使得其发展迅速且应用广泛。其中,单模光纤偏芯熔接所形成的模间干涉与Sagnac环相搭配,用于相关环境参量的传感可以得到高干涉消光比,更高的干涉消光比可得到更高的测量灵敏度,故而使其成为了光纤传感领域的热点研究方向。本文研究基于Sagnac环的单模偏芯光纤经U型弯曲改造所形成的传感器,对其各项特性进行实验研究分析,并进一步研究其液位和温度的测量应用。该传感器成本低廉、制作简单、操作方便,有着较好的应用前景。本文的工作主要包括以下内容:1、介绍光纤传感和相关理论分析。(1)介绍论文的研究背景及意义、光纤的分类、光纤传感器的分类、干涉型光纤传感器的优点、目前光纤传感器所面临的主要问题及国内外研究概况。(2)介绍单模偏芯光纤干涉型传感器模间干涉的相关理论。(3)理论说明Sagnac环可提高干涉消光比,并经实验验证。2、对本文的传感器的多项特性做实验分析。传感器结构特性:(1)基于Sagnac环单模偏芯光纤传感器的实验干涉图谱与偏芯熔接点个数、Sagnac环的形状密切相关。(2)单位波长段内的波谷个数与传感臂的长度密切相关,而熔接点偏芯量及Sagnac环的形状对其不存在明显影响。传感器传感特性:(1)温度的变化使得该传感器干涉谱线发生变动。(2)传感器所受压力的变化不会对干涉谱线造成大的影响。(3)经仿真模拟,包层处光功率的损耗会随外界折射率增大而增大。另外,传感器经长时间浸泡,干涉谱线功率会持续下降,但随着时间的推移而稳定下来,各波谷中心波长没随时间的增加有显著的波动。3、为了进一步探究该传感器,将该传感器用于液位和温度的测量研究。实验表明:这两个环境参量与干涉波谷中心波长存在着良好的传感响应关系。利用相应的方法减弱了实验中的粗大误差,避免了挑选波谷,提高了实验效率。实验数据经相应方法处理后,液位灵敏度为1.72nm/cm,温度灵敏度为0.689 nm/℃。

关键词：偏芯熔接 U型改造模间干涉液位温度

基于多模光纤光斑检测的模式分析和光谱分析研究

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基于多模光纤光斑检测的模式分析和光谱分析研究

作者：刘欢欢北京交通大学

学位级别：硕士

随着数字信号处理技术的发展和成像技术的日益普及,基于光纤光斑检测的各项技术的复杂程度和成本大幅降低,促进了光纤光斑检测在传感以及光谱分析等研究领域的发展。针对目前模式分析领域解析法对波导结构要求严格,而数值分析方法普遍... 详细信息

随着数字信号处理技术的发展和成像技术的日益普及,基于光纤光斑检测的各项技术的复杂程度和成本大幅降低,促进了光纤光斑检测在传感以及光谱分析等研究领域的发展。针对目前模式分析领域解析法对波导结构要求严格,而数值分析方法普遍存在着计算精度和计算量之间矛盾的问题,本文提出了基于多模光纤光斑检测技术的波导模式分析方法,并且针对基于光纤光斑检测的光谱分析技术中光纤长度与光谱重建性能之间的矛盾,提出了两种基于改进光纤结构的光谱分析方案。主要的工作内容如下:1、对光斑检测的耦合及多模干涉理论进行了理论分析,并总结归纳了现有的光斑图样处理算法,包括基于光强和基于图像内容的算法。2、针对单模-阶跃多模光纤结构中模式激励情况与光纤轴心偏移程度的关系进行了理论计算,并利用光束传播法获得了多模光纤端面处的光斑图样。将灰度共生矩阵图像处理技术引入光斑图样处理,详细分析了该结构在不同偏心熔接时的端面光斑与图像特征值的关系,得到了激发模式数量和灰度共生矩阵特征值能量、一致性、熵之间的近似线性关系,并在实验环境下进行了验证。之后将此结论应用于分析D型多模光纤的模式激发情况。在常用复杂数值计算方法外,为定性研究光纤内模式激励情况提供了一种新的分析方法。3、对基于多模光纤光斑分析的光谱仪的原理进行了分析,实现了利用光斑检测在噪声环境下重建光源信号的算法,并基于光谱相关宽度实现了光谱分辨率的计算。采用偏芯熔接的单模-阶跃多模光纤结构及单模-D型多模-多模光纤结构取代原有的对芯熔接结构,对该类型光谱仪进行了改进。对改进前后的光谱分析性能进行了比较分析,通过仿真综合比较了光谱重建误差、半波全宽、宽带信号重建三个性能因子,验证了改进后的方案在光谱重建性能上优于原有的结构。

关键词：光纤传感光斑检测模式分析光谱分析偏芯熔接 D型光纤灰度共生矩阵

基于微纳光纤复合波导的1μm耗散孤子光纤激光器研究

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基于微纳光纤复合波导的1μm耗散孤子光纤激光器研究

作者：潘伟长春理工大学

学位级别：硕士

锁模光纤激光器具有窄脉宽、高平均功率和高脉冲能量等优点,所以在许多领域中发挥着重要作用。而基于非线性多模干涉效应(nonlinear multimode interference,NL-MMI)的可饱和吸收体(saturable absorbers,SAs)具有较好的抗损伤阈值,适用... 详细信息

锁模光纤激光器具有窄脉宽、高平均功率和高脉冲能量等优点,所以在许多领域中发挥着重要作用。而基于非线性多模干涉效应(nonlinear multimode interference,NL-MMI)的可饱和吸收体(saturable absorbers,SAs)具有较好的抗损伤阈值,适用于1μm波段光纤激光器的大能量锁模,是目前光纤激光器的研究热点之一。然而NL-MMI在全正色散区要实现耗散孤子锁模,需要精确控制多模光纤的长度,同时也需要引入滤波机制来实现腔内的耗散作用。耗散孤子锁模脉冲具有较强的正啁啾,这会伴随着较大的脉冲宽度。因此对耗散孤子锁模光纤激光器引入滤波机制和脉冲压缩也成了关键的问题。本文采用多模光纤偏芯熔接(offset splicing grad-index multimode fiber,OS-GIMFs)结合碲化铋(BiTe)的方式获得了1μm波段的耗散孤子锁模,利用微纳光纤去啁啾的方式实现了脉冲宽度的压缩。最后本文围绕上述工作开展了以下几方面的研究内容:1.分析了基于NL-MMI锁模的超快动力学演化过程,阐明了其非线性可饱和吸收特性对光脉冲的影响。研究了微纳光纤对腔内色散的补偿机制,并针对1μm波段全正色散区的耗散孤子啁啾大的特点,采用微纳光纤对耗散孤子脉冲进行压缩。由于在同一波长条件下,直径不同的微纳光纤会导致波导色散发生偏移。因此,选择合适直径的微纳光纤可以有效的控制波导色散,有利于实现脉冲宽度的压缩。2.对BiTe与OS-GIMFs的复合结构锁模进行了研究。首先分析了不同浓度的碲化铋配比对可饱和吸收性能的影响,从而制备出高性能的BiTe。然后对OS-GIMFs结构进行模拟,研究OS-GIMFs自映像效应和滤波效应。同时在OS-GIMFs的结构中,偏芯程度的大小对滤波效应和插入损耗的影响非常大,通过对OS-GIMFs结构进行优化,制备出了能够实现耗散孤子锁模的新结构。最后将BiTe与偏芯熔接多模光纤结合,形成复合结构。结果表明,当波长中心为1033.2 nm时,最大输出功率4.16 m W,脉冲宽度为26.7 ps,信噪比为53.8 d B的耗散孤子锁模脉冲,有效提高了耗散孤子激光器的输出能量和稳定性。3.针对基于复合波导耗散孤子锁模的脉冲压缩问题,通过对微纳光纤的制备工艺进行了优化与改良,用间接加热法制备了锥腰直径为1.3μm的微纳光纤结构。将其接入复合结构锁模光纤激光器的输出端对脉冲宽度进行压缩,最终压缩后的脉冲宽度为2.3 ps。

关键词：光纤激光器耗散孤子微纳光纤偏芯熔接碲化铋可饱和吸收体

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基于模式干涉的光纤应变与曲率传感器研究

基于模式干涉的光纤应变与曲率传感器研究

作者：徐施施重庆理工大学

学位级别：硕士

随着城市化进程加快,大量的工程建设项目在各地开展,由于方案设计、施工质量、日常维护等方面问题,工程建筑物在施工和使用中可能会发生较大变形,最终发生安全事故,所以结构健康安全监测关乎人民生命安全。光纤传感技术正逐渐成为结构... 详细信息

随着城市化进程加快,大量的工程建设项目在各地开展,由于方案设计、施工质量、日常维护等方面问题,工程建筑物在施工和使用中可能会发生较大变形,最终发生安全事故,所以结构健康安全监测关乎人民生命安全。光纤传感技术正逐渐成为结构健康监测中的一种重要手段,曲率与应变是结构健康安全监测的两个关键指标,其中基于模式干涉的光纤应变与曲率传感器具有结构简单,抗电磁干扰等诸多优点,因此众多学者对此进行了广泛的研究。本文主要研究工作如下:(1)将纤芯呈正三角分布的三芯光纤与薄芯光纤熔接,并对三芯光纤的中部进行拉锥处理,制作了基于三芯-薄芯光纤结构的马赫-曾德尔干涉仪用于应变监测。实验探究了三芯光纤与薄芯光纤的最佳长度,熔接机对三芯光纤拉锥的最佳参数,以及温度变化对传感结构的影响。该传感结构在0-1600με应变测量范围的最大灵敏度为-3.47pm/με,且具有较高的线性度。(2)利用光纤熔接机的手动熔接方式,将四芯光纤与单模光纤进行偏芯熔接制作了光纤马赫-曾德尔干涉仪。并由Rsoft软件对传感结构中的模式传输与光场分布进行仿真分析,获得最佳的偏芯熔接距离。在实验中测试了传感器在不同弯曲方向对曲率的响应,发现了不同弯曲方向传感器具有不同的灵敏度,在0.042-0.163m曲率范围的最大灵敏度为-18.75nm/m,线性度可达0.9743。探究了温度变化对曲率测量的影响,并通过构建双参量系数矩阵用于消除温度变化的干扰。(3)制作了基于四芯光纤与无芯光纤偏芯熔接的马赫-曾德尔干涉结构,通过调整熔接推进距离,在结构中形成熔接粗锥使得光可以更多的耦合进入四芯光纤内。在实验中探究了该结构的温度与折射率传感特性,发现温度主要对监测光谱的波长进行调制,而曲率主要对光谱强度产生影响,证明该传感器可以实现曲率与温度的双参量测量。其曲率与温度的最大线性灵敏度分别为48.83d Bm/m和53.81pm/℃。(4)由七芯光纤与无芯光纤构造了迈克尔逊光纤曲率传感器,通过物理气相沉积(PVD)镀膜设备在七芯光纤的端面镀制银膜,再由紫外胶和毛细管进行封装处理,利用反射光谱进行监测,有助于减小光纤传感结构的尺寸。实验测试结果表明在0.0419-0.1390m曲率范围,该传感器的灵敏度约为-22.76nm/m,线性度可达0.9823。

关键词：光纤传感器偏芯熔接光纤锥马赫-曾德尔干涉迈克尔逊干涉

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基于磁流体的光纤磁场传感技术研究

基于磁流体的光纤磁场传感技术研究

作者：程方圆华北电力大学

学位级别：硕士

磁流体是一种既具有液体流动性也具有固体强磁性的稳定的胶状悬浮液,具有特殊的磁光特性,可用作传感材料。本文采用磁流体作为传感介质,利用其折射率受外加磁场调制的特性,通过将磁流体和光纤干涉仪相结合,将磁场的探测转化为对光纤干... 详细信息

磁流体是一种既具有液体流动性也具有固体强磁性的稳定的胶状悬浮液,具有特殊的磁光特性,可用作传感材料。本文采用磁流体作为传感介质,利用其折射率受外加磁场调制的特性,通过将磁流体和光纤干涉仪相结合,将磁场的探测转化为对光纤干涉仪输出干涉波长及强度的测量,制备出性能优良的光纤磁场传感器。首先,本文提出并制作了一种单模-多模-单模-偏芯结构的马赫-增德尔干涉仪传感结构。考虑到基于磁流体的光纤传感器的本质机理是折射率传感,所以在研究磁场传感之前先验证了其对折射率变化的传感能力。实验配置了6种不同浓度的蔗糖溶液,得到相应的不同折射率的溶液。通过对传感结构折射率响应实验结果的分析,证明了该传感结构具有很好的折射率传感特性,为下一步磁场传感特性的研究奠定了理论基础。其次,将磁流体作为上述传感结构的外部包层,制备出基于磁流体的干涉型光纤磁场传感器。利用磁流体磁致折变特性对干涉结构中的干涉模式进行调制,通过光谱中干涉谷波长的漂移及透射强度的变化解调出相应的磁场变化参量,实验得到波长漂移灵敏度为24.4pm/Oe,透射强度灵敏度为0.0407d B/Oe。相比于同类传感器,本文所设计的传感器结构简单,成本低,与其他用特种光纤制作的结构相比,具有明显的优越性。最后,鉴于磁流体磁光系数较高,对温度敏感的特点,本文提出一种磁流体包覆的单模光纤与传统SMS结构偏芯熔接的温度、磁场双参量同时测量的传感器。利用磁流体的磁致折变特性,将磁场参量施加于光纤传感结构。将传统的SMS干涉结构与输入端单模光纤偏芯熔接,使得单模光纤纤芯模与包层模,多模光纤基模和高阶纤芯模分别发生干涉,形成对温度和磁场敏感度不同的干涉谷。实验选取了干涉谱中1537nm和1563nm处的两个不同性质的谷进行观察,测量结果表明,1537nm处的干涉谷波长的磁场灵敏度为6.05pm/Oe,温度灵敏度为35.6pm/℃;1563nm处的干涉谷波长的磁场灵敏度为16.7pm/Oe,温度灵敏度为20.44pm/℃。通过建立敏感矩阵,实现了温度和磁场双参量同时测量,有效消除了温度和磁场交叉敏感的问题。该传感器具有良好的温度、磁场灵敏响应以及较高的测量精度,且结构简单、成本低廉,具有良好的应用前景。

关键词：磁流体干涉仪偏芯熔接模式干涉双参数传感

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阶跃折射率多模光纤包层等离子体共振传感器

光学精密工程 2019年第12期27卷 2525-2533页

作者：苏于东魏勇吴萍胡江西刘春兰重庆三峡学院智能信息处理与控制重庆市高校市级重点实验室重庆404100 重庆三峡学院物联网与智能控制技术重庆市工程研究中心重庆404100

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器通常以纤芯为共振基底,需要采用腐蚀、侧抛、研磨等复杂的加工工艺将光纤包层去除,存在倏逝波不易泄露,传感探针制作困难的问题。本文提出一种以光纤包层为SPR共振基底的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感... 详细信息

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器通常以纤芯为共振基底,需要采用腐蚀、侧抛、研磨等复杂的加工工艺将光纤包层去除,存在倏逝波不易泄露,传感探针制作困难的问题。本文提出一种以光纤包层为SPR共振基底的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器。采用单模光纤与阶跃折射率多模光纤偏芯熔接结构,将单模光纤纤芯中的光直接注入多模光纤包层,并在阶跃折射率多模光纤包层外镀50 nm金膜。在探针传感段,光场能量全部分布在阶跃折射率多模光纤包层中,发生SPR效应充分。与传统光纤包层SPR传感结构相比,该传感器能够获得更深的共振谷,折射率测量范围为1.333~1.385 RIU时,传感器的平均灵敏度可达2307 nm/RIU,本文亦对传感段多模光纤纤芯直径与长度不同参数的影响进行了探究。本文提出的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器制作简单,有效解决了光纤包层与空气界面不易获得倏逝波的问题。

关键词：光纤传感表面等离子体共振折射率传感器偏芯熔接包层传感