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光纤模式干涉传感器特性分析研究

光纤模式干涉传感器特性分析研究

作者：王哲东北电力大学

学位级别：硕士

模式干涉型光纤传感器具有体积小、全光纤化、易加工等一系列优势,在近年来已逐步成为了在光纤传感方面的研发重点。目前,国内外学者从不同方面对模式干涉型光纤传感器进行了研究,但是关于单模-无芯-单模(Single-mode-No-Core-Single-mo... 详细信息

模式干涉型光纤传感器具有体积小、全光纤化、易加工等一系列优势,在近年来已逐步成为了在光纤传感方面的研发重点。目前,国内外学者从不同方面对模式干涉型光纤传感器进行了研究,但是关于单模-无芯-单模(Single-mode-No-Core-Single-mode,SNS)传感器的结构参数优化和分析过程鲜有报道,基于不同参数产生的透射谱所具有的规律性亟需研究,同时该研究对SNS结构的设计具有指导意义。本论文在多模干涉(Multi-mode Interference,MMI)原理的基础上,以SNS光纤结构为研究对象,提出一种提高折射率灵敏度的参数优化方式,并将此种方法进行实验验证,然后结合传感理论,确立模式干涉型光纤传感器的灵敏度提高方法,并提出一种优化后的光纤传感网络(Optical Fiber Sensing Network,OFSN)结构来完成极端环境下的测量。主要研究内容如下:(1)从光纤的模式理论出发,将从圆波导角度分析的无芯光纤(No-Core Fiber,NCF)波导模型与模式传输分析方法相结合,建立光在SNS结构中传输的理论模型。对SNS结构的透射谱进行理论分析,阐述折射率传感机理,通过仿真对NCF的几何参数及波段进行优化,同时研究SNS结构中单模光纤(Single-mode Fiber,SMF)对传感灵敏度的影响,从而得到提高SNS结构折射率灵敏度的方法。(2)SNS结构的参数优化方法是在折射率精确到0.005的情况下得到了,后续将折射率数值精确到0.001、0.0001去说明SNS结构参数优化结果可进行更为精密的折射率灵敏度传感。并在折射率传感过程中考虑了温度的影响,同样验证了参数优化结果也适用于温度微变的折射率传感测量环境。(3)对SNS结构参数优化过程进行实验验证,但由于小芯径的SNS结构在实验室制作比较困难,因此选取SNS结构传感与单模-多模-单模(Single-mode-Multi-mode-Singlemode,SMS)结构传感相结合的方式进行实验。且两种传感结构根据各自的需要,分别选择波长调制和强度调制。(4)在SNS结构传感的理论与实验的基础上,提出一种星型总线拓扑光纤传感网络,分析了鲁棒性与网络结构参数之间的关系,得出网络拓扑结构的基本设计原则,通过对不同光纤传感器系统的同时复用,验证了该网络的可行性。基于前人的研究成果,本论文对SNS所构成的MMI光纤传感结构进行研究,讨论了将SNS结构作为检测环境参数的光纤传感器的可行性。主要创新内容如下:通过优化NCF的参数,确定可以提高SNS结构折射率灵敏度的方法,进而给MMI结构的传感器提供了一种灵敏度优化步骤;在细芯SNS结构难制备的情况下,采用SNS结构与SMS结构相互结合的方式对优化方法进行实验验证;因不同厂家生产的无机盐,其溶液浓度与对应折射率的数值存在差异,因此以浓度灵敏度代替折射率灵敏度进行实验分析,可提高灵敏度准确性;实验过程中,根据不同需求分别采用波长解调、强度解调的方式对SNS结构、SMS结构进行实验验证;提出一种优化后的可多路复用不同类型光纤传感器、同时监测不同参量的OFSN。

关键词：模式干涉 SNS结构折射率参数优化光纤传感网络

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基于模式干涉型光纤折射率传感器的研究

基于模式干涉型光纤折射率传感器的研究

作者：姜喜全山东建筑大学

学位级别：硕士

折射率作为一种重要的物理参数,其检测技术在食品加工、生物化学、医疗等领域发挥着重要作用。目前市场上的电子传感器(如电阻型和电容型)由于其成本低,使用方便等优点得到广泛使用。然而,在一些易燃、易爆、强酸强碱、强电磁干扰等恶... 详细信息

折射率作为一种重要的物理参数,其检测技术在食品加工、生物化学、医疗等领域发挥着重要作用。目前市场上的电子传感器(如电阻型和电容型)由于其成本低,使用方便等优点得到广泛使用。然而,在一些易燃、易爆、强酸强碱、强电磁干扰等恶劣环境中,传统的电化学类传感器无法正常工作。光纤传感器由于其高灵敏度、抗腐蚀性、抗电磁干扰等特性而受到广泛的关注。在线式光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)传感器由于其结构紧凑和易于检测信号等特性,已经引起研究者们的关注,被广泛用于折射率的测量。目前的在线式马赫-曾德尔干涉仪传感器主要是由不同纤芯直径的光纤拼接组成,外部折射率对光纤模态的影响较小,当光在光纤的纤芯和包层中传输时,仅依靠倏逝波对包层模式和纤芯模式的干涉起作用,导致这种传感器对折射率变化的灵敏度较低。通过在传感器上制造微型结构,可以有效地提高传感器的折射率灵敏度,包括纤芯错位熔接结构和光纤锥形结构。为了获得较高的灵敏度,本文在马赫-曾德尔干涉仪原理的基础上,以单模-多模-单模(Single mode-multimode-single mode,SMS)光纤结构为研究对象,提出两种干涉型光纤传感器,并对其折射率传感特性进行了研究。主要研究内容如下:1、提出了一种基于双偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪的超高灵敏度折射率传感器,理论分析了偏置型马赫-曾德尔干涉仪的干涉机理。通过光束传播法(Beam propagation method,BPM)模拟分析了多模态偏置光纤的折射率传感特性、以及在不同偏置长度和折射率范围内折射率灵敏度的变化,对比了单偏置与双偏置的传感特性。仿真结果表明,在折射率为1.3330～1.3340范围内,单偏置马赫-曾德尔干涉仪的折射率灵敏度为-5557nm/RIU,而双偏置马赫-曾德尔干涉仪的折射率灵敏度为-14071 nm/RIU,该结果为实现高灵敏度液体折射率测量提供了重要理论依据。该传感器结构紧凑,整体长度只有1200μm,在液体折射率测量领域具有重要的应用价值。2、基于马赫-曾德尔干涉仪原理,设计了一种多模光纤-锥形单模光纤-多模光纤(Multimode fiber-taper single mode fiber-multimode fiber,MTSM)结构的高灵敏度光纤折射率传感器。利用单模光纤与多模光纤熔接导致的纤芯不匹配在包层激发的高阶模与单模光纤纤芯中的基模耦合产生的模间干涉(Multimode interference,MMI),实现其对外界折射率的传感测量。采用了Rsoft仿真软件对所提出的MTSM传感器进行数值模拟,分析其内部的光场分布,讨论了锥形光纤的腰径对传感性能的影响,优化设计并制作了MTSM结构传感器,测试了多组不同浓度HSO溶液下的透射谱。实验结果表明:腰径越细,所提出的传感器灵敏度越高。在折射率1.3330～1.3460范围内,所提出的光纤传感器的灵敏度最大可达到541.5 nm/RIU,通过减小锥形光纤的腰径可以进一步提高传感器对折射率的灵敏度。

关键词：折射率模式干涉马赫-曾德尔干涉仪锥形光纤

基于Lyot滤波与模式干涉的光纤扭转传感器研究

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基于Lyot滤波与模式干涉的光纤扭转传感器研究

作者：郑佚超哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：光纤传感器扭转传感 Lyot滤波器模式干涉偏振

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基于保偏光纤模式干涉的应变传感器研究

光电子．激光 2013年第6期24卷 1082-1085页

作者：宋海峰龚华平倪凯董新永中国计量学院光学与电子科技学院浙江杭州310018

为了进一步了解模式干涉光纤传感器的原理,并相应提高应变传感器的性能,提出一种基于保偏光纤(PMF)的模式干涉应变传感器。在两根单模光纤(SMF)之间,腰椎放大熔接一根长30mm的PMF,构成全光纤模式干涉传感器。应变的变化将会引起光纤的... 详细信息

为了进一步了解模式干涉光纤传感器的原理,并相应提高应变传感器的性能,提出一种基于保偏光纤(PMF)的模式干涉应变传感器。在两根单模光纤(SMF)之间,腰椎放大熔接一根长30mm的PMF,构成全光纤模式干涉传感器。应变的变化将会引起光纤的纤芯模与包层模相位差的变化,从而导致干涉光谱的变化。在应变范围为0～3 605με,通过光谱仪(OSA)检测宽带光源经光纤传感器后的透射光谱。采用最小二乘法对光强强度和应变进行线性拟合,发现光强减小的趋势与应变的变化有很高的线性关系,并测得应变的灵敏度可达到0.004dB/με,对应的分辨率为2.5με。本文传感器制造简单、费用较低和结构稳固,并且具有很高的分辨率,因此适用于实际测量。

关键词：传感器应变保偏光纤(PMF) 模式干涉腰椎放大

基于模式干涉的纳升级液体量光纤折射率传感器研究

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基于模式干涉的纳升级液体量光纤折射率传感器研究

作者：张婷婷哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近些年来,随着对光纤的不断的深入研究,光纤传感技术得到了飞速的发展,具有重要的实用价值和广阔的应用前景。在各种类型的光纤传感器中,折射率传感器由于其在新兴的生化和医学应用方面的巨大潜力而受到了广泛的关注。V型光纤（V-groove... 详细信息

近些年来,随着对光纤的不断的深入研究,光纤传感技术得到了飞速的发展,具有重要的实用价值和广阔的应用前景。在各种类型的光纤传感器中,折射率传感器由于其在新兴的生化和医学应用方面的巨大潜力而受到了广泛的关注。V型光纤（V-groove fiber,VGF）是具有一条开放式V型通道的无芯石英光纤,其V型通道可以方便的与外界进行交互,是一种极佳的折射率传感器件。本论文对V型光纤的传感特性进行分析探究,主要工作如下:首先,阐述了基于V型光纤的单模光纤-V型光纤-单模光纤（Single Mode-V-groove-Single Mode,SVS）多模干涉型光纤传感结构的基本理论,基于有限元法对该传感器进行结构分析,得到传感器在空气中时VGF模式分布与光强分布,并对宽带透射谱进行仿真分析。其次,开展了基于V型光纤芯的SVS光纤传感器折射率传感特性理论仿真分析与实验研究。分别从传感器被折射率低于光纤本身的低折射率液体填充以及被折射率高于光纤本身的高折射率液体填充进行研究分析。仿真得到VGF中激励的端面模式分布,VGF不同长度以及液体半径对透射谱的影响。优化设计并制备了基于V型光纤芯的SVS折射率传感器。实验结果表明,在外界折射率1.33～1.37区间时,SVS传感器灵敏度为159.696 nm/RIU,在外界折射率1.66～1.70区间时,SVS传感器灵敏度为-960.11nm/RIU。最后,开展了基于液芯的SVS光纤传感器折射率传感特性理论仿真分析与实验研究。分别从传感器被折射率低于光纤本身的低折射率液体填充以及被折射率高于光纤本身的高折射率液体填充进行研究分析。仿真得到VGF中激励的端面模式分布,VGF不同长度、液体半径以及外界温度对透射谱的影响。优化设计并制备了基于液芯的SVS折射率传感器。实验结果表明,在外界折射率1.63～1.68区间时,SVS传感器灵敏度为-870.43nm/RIU。本文设计制作的SVS传感器具有结构简单、所需样品量在n L级别、可快速有效检测等优点,在生物医学检测领域有广泛的应用场景。

关键词： V型光纤光纤传感折射率传感模式干涉

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基于模式干涉的光纤激光液位传感器

基于模式干涉的光纤激光液位传感器

作者：张怀诚黑龙江大学

学位级别：硕士

高精密液位测量在化工、石油储存、食品安全和公共供水等领域具有重要意义。因具有低成本,重量轻,抗电磁干扰,易于制造和耐腐蚀等系列优点,光纤干涉仪成为液位测量的主要方案之一。近期,为提升检测灵敏度,基于模式干涉的方案在液位测试... 详细信息

高精密液位测量在化工、石油储存、食品安全和公共供水等领域具有重要意义。因具有低成本,重量轻,抗电磁干扰,易于制造和耐腐蚀等系列优点,光纤干涉仪成为液位测量的主要方案之一。近期,为提升检测灵敏度,基于模式干涉的方案在液位测试中受到关注。然而,受激发的多高阶模响应差异的影响,液位测试的线性范围与串扰/噪声是该领域公开性问题。基于此,本文围绕细芯光纤错位结构及光纤环形腔激光器开展深入研究,主要研究内容如下:（1）利用光束传播法,分析了细芯光纤错位结构模式能量分布,并在细芯光纤错位结构中获得了准单模态干涉状态的最佳错位区域。进而,研究了液位测试的传感原理,并探究了在液位测试中的温度和折射率串扰问题。（2）探究了纤芯错位型和纤芯失配型两种典型结构的液位传感特性。通过空间频谱分析了其在液位测试线性度降低的主要原因。恰量错位熔接状态下,在细芯光纤错位结构中获得了准单一模态干涉状态,大幅提升了传感器的测试范围至500mm,液位灵敏度为41.8 pm/cm;且在20～500 mm的液位测试范围内,线性度均高于0.99。（3）以细芯光纤错位型结构为无源滤波器,结合环形腔光纤激光器,构建了单纵模激光液位传感器。实现了高消光比（＞35 d B）和窄线宽（＜0.1 nm）输出,传感器的实际检测极限提升了至少16倍。进而,以消除温度与折射率扰动为目标,引入凹锥级联光纤光栅结构,通过并联方式实现了稳定的双波长激光运转。结合波长和强度同步解调方法,该双波长激光液位传感器实现了高区分度的液位、折射率和温度的同步测量。

关键词：液位传感模式干涉细芯光纤激光器交叉敏感

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非绝热结构模式干涉高灵敏度光纤传感器

光学学报 2021年第23期41卷 24-30页

作者：黄如霞王越周文超吴一辉中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室吉林长春133033 中国科学院大学北京100049

为解决干涉型锥形微纳光纤传感器结构尺寸长、加工重复性低的问题,设计了一种非绝热锥形微纳光纤传感结构。首先基于光纤模式理论研究了干涉型锥形微纳光纤传感器的传感灵敏度对腰部直径的依赖关系及其不同部位的传感特性,并研究了非绝... 详细信息

为解决干涉型锥形微纳光纤传感器结构尺寸长、加工重复性低的问题,设计了一种非绝热锥形微纳光纤传感结构。首先基于光纤模式理论研究了干涉型锥形微纳光纤传感器的传感灵敏度对腰部直径的依赖关系及其不同部位的传感特性,并研究了非绝热条件下在光纤拉锥过程中进行模式控制的方法。在此基础上设计并制作了腰部直径为3.1μm、锥腰长度为1.1 cm的锥形微纳光纤传感结构,其低折射率检测灵敏度高达90250 nm/RIU。该结构具有尺寸短、加工重复性好的特点,为实现传感器的小型化、集成化提供了基础,有望用于生物医疗、环境监测等领域。

关键词：光纤光学锥形光纤模式干涉色散转折点

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保偏光纤的模式干涉传感特性

保偏光纤的模式干涉传感特性

作者：韩晓鹏黑龙江大学

学位级别：硕士

光纤传感具有反应迅速、高效安全、使用简单的特点,在物理、生化等领域均有广泛的应用。保偏光纤由于其高双折射、低偏振色散的性质可以作为传感的优良材质。相比其他干涉原理,Mach-Zehnder因其具有简单而稳定的特性更适用于光学干涉传... 详细信息

光纤传感具有反应迅速、高效安全、使用简单的特点,在物理、生化等领域均有广泛的应用。保偏光纤由于其高双折射、低偏振色散的性质可以作为传感的优良材质。相比其他干涉原理,Mach-Zehnder因其具有简单而稳定的特性更适用于光学干涉传感中。本文以Mach-Zehnder干涉原理为基础,在实验中利用保偏光纤设计并制作了三种保偏光纤模式干涉结构,针对保偏光纤中模式干涉理论进行了讨论,实现了温度、应变、折射率等物理量的传感测量,表征了这种干涉模式的传感特性。本文从以下几个方面进行了研究:(1)设计了一种基于保偏光纤温度、折射率测量的级联凸锥传感结构。以保偏光纤模式干涉理论为依据建立了理论温度灵敏度表达式,通过实际温度传感实验论证了理论的可行性。制作并优化出双凸锥结构进行折射率传感实验,在实验中获得了168.73 d B/RIU和17.656 nm/RIU的折射率灵敏度。(2)设计了一种凸凹锥结合结构,通过叠加的倏逝场效应以实现折射率传感增敏,实验结果表明:该种结构的折射率光强和波长灵敏度分别为310.40 d B/RIU和45.637 nm/RIU,由环境温度变化带来的交叉串扰小于1.4×10。高于绝大多数光强度型折射率传感器。(3)设计了一种基于保偏光纤应变、温度同步测量的优化双凹锥传感结构,分析了凹锥中部球状纤芯对透射光谱消光比的影响。同比于相同参数下的双凹锥结构,该种结构具有更大的消光比和更低的透射损耗。传感实验表明所提出的这种结构的应变和温度灵敏度分别为37.13 pm/με和75.34 pm/℃。应变和温度测量的相对误差均小于1×10%,为实现应变、温度同步测量提供了一种新方案。

关键词：光纤传感器模式干涉马赫-曾德尔干涉保偏光纤温度折射率应变

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基于模式干涉的光纤磁场传感器的研究

基于模式干涉的光纤磁场传感器的研究

作者：齐晨英天津理工大学

学位级别：硕士

在线型马赫-曾德尔光纤干涉仪可以在单根光纤中实现参考光与信号光的干涉,具有体积小、集成度高、灵敏度高、响应迅速、动态范围大、环境适应能力强等优势,在军事、医疗、环境保护等领域中有着重要研究价值。本文利用熔接机放电和氢气... 详细信息

在线型马赫-曾德尔光纤干涉仪可以在单根光纤中实现参考光与信号光的干涉,具有体积小、集成度高、灵敏度高、响应迅速、动态范围大、环境适应能力强等优势,在军事、医疗、环境保护等领域中有着重要研究价值。本文利用熔接机放电和氢气火焰加热拉锥两种制备方法,开发了新型全光纤模式干涉仪,并对其磁场传感特性展开了理论分析和实验探究,实现了高灵敏度的磁场测量,在弱磁场探测领域有着良好的应用前景。主要研究内容如下:(1)设计了一种基于非对称倾斜光纤锥的紧凑型光纤干涉仪。该干涉仪结构仅通过对一段单模光纤上两个邻近位置进行电弧放电和非轴向拉锥就可以实现,腰锥中心位置偏移光纤锥中心且长度小于1 mm。结果表明该干涉仪灵敏度为77.53 pm/Oe,该传感器具有多模传输、低成本、体积小、机械强度高等特点。(2)利用熔接机电弧放电拉锥和氢气火焰加热拉制相结合的方法制作了一种微光纤锥结构,此结构为非绝热光纤锥。通过两次拉锥,在光纤直径骤减的锥区中间制得一段极细长且均匀的腰锥,具有较强的倏逝场,对外界环境物理参量的变化更为敏感。利用磁流体对其进行封装,借助倏逝场效应与磁流体的折射率可调谐特性,制作了能够对磁场进行测量的光纤传感器。当外界磁场变化时,其干涉峰发生漂移,实验获得其灵敏度为193.28 pm/Oe。(3)引入少模光纤并对其通过熔接机电弧放电拉锥和氢气火焰加热拉制方法进行拉锥,设计了基于拉锥少模光纤的磁场传感器结构,在单模-少模-单模结构中由于模场失配,光从单模光纤耦合到少模光纤中时能够激发出高阶模式。同时由于非绝热锥型结构的特点,光在锥型结构区域会进一步激发产生多重模式干涉,加强了锥腰区域的倏逝场强度,从而提升传感器的灵敏度。通过分析随磁场变化时的透射谱漂移情况,获得磁场敏感度为133.92 pm/Oe。

关键词：光纤传感器模式干涉光纤锥结构磁场传感