基于微納結構的光纖激光傳感理論及應用研究.pdf

1、在地震前兆監(jiān)測中,需要對地殼溫度、巖石壓力、稀有氣體含量及地下水中礦物質濃度等多種參量進行準確實時的分布式測量。因此,高精度、低成本、可復用的溫度、應變、折射率的傳感是十分重要的。光纖傳感器作為一種新型的傳感器,經(jīng)過近二十年的發(fā)展,已經(jīng)實現(xiàn)了對溫度、應變、振動、加速度、折射率、溶液濃度、水聲等多種物理參量的傳感。相比于傳統(tǒng)的電類傳感器,光纖傳感器具有抗電磁干擾、適應惡劣工作環(huán)境、成本低廉、耐用性好、易于組網(wǎng)等大量優(yōu)勢,因而在地震傳感中有

2、獨特的優(yōu)勢。
　　本論文針對光纖傳感器在地震前兆監(jiān)測中的應用,深入研究了幾種基于微結構的新型光纖傳感器,實現(xiàn)了高精度的溫度、應變和折射率傳感。主要研究成果如下:
　　(1)對光纖傳感器的發(fā)展和現(xiàn)狀進行總結,介紹了光纖軸向和徑向的兩種微結構,即光纖光柵和微納光纖?；诠獠▽Ю碚?對光纖光柵和微納光纖的光場分布進行了全面的模擬仿真,并對其光學特性進行了深入的研究。
　　(2)提出了一種基于光纖激光器縱模數(shù)目編碼的高精度應變

3、傳感器。多縱模激光器的輸出激光中,縱模數(shù)目與施加在光纖布拉格光柵(FBG)上的應變存在函數(shù)關系。通過分析輸出激光的拍頻頻譜,可確定激射的縱模數(shù)目,從而實現(xiàn)高精度的應變傳感。通過實驗,我們得到了0.02με/縱模的應變靈敏度,比光學解調的FBG應變傳感器提高約兩個數(shù)量級。
　　(3)提出了一種結合光纖光柵和微納光纖的新型結構。利用火焰加熱拉錐法,在一個均勻型光纖布拉格光柵中間獲得了一段微納光纖,形成了一個琺布里-珀羅干涉儀。理論分析

4、表明,這種微納光纖琺布里-珀羅干涉儀(MFPI)綜合了光纖光柵的波長選擇特性和微納光纖的強倏逝場特性,因此對溫度、應變、折射率等參量都有特定的光譜響應。從實驗上實現(xiàn)了MFPI的折射率和溫度雙參量傳感,并針對MFPI光譜提出頻域濾波和高斯擬合相結合的數(shù)據(jù)處理方法,使傳感精度提高約1個量級。
　　(4)實現(xiàn)了基于上述MFPI激光拍頻解調的折射率傳感。將MFPI作為一個直腔光纖激光器的反射鏡,在其相鄰的兩個反射峰上得到雙波長激光輸出。雙

5、波長激光的相干拍頻頻率與MFPI的自由光譜范圍相等,因此受到外界折射率的影響。測量雙波長激光器的拍頻頻率,即可推算出MFPI周圍介質的折射率。實驗上實現(xiàn)了911MHz/RIU的折射率傳感靈敏度,折射率傳感精度可達約10-6RIU。
　　(5)提出了一種基于微納光纖的雙Sagnac環(huán)復合結構,并研究其激光和傳感特性。利用光學探針對微納光纖進行微操控,獲得兩個級聯(lián)的Sagnac干涉環(huán),形成雙Sagnac型MFPI。這種結構具有均勻的、