基于微納結(jié)構(gòu)的光纖激光傳感理論及應(yīng)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(zhì)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(fù)用的溫度、應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用,深入研究了幾種基于微結(jié)構(gòu)的新型光纖傳感器,實現(xiàn)了高精度的溫度、應(yīng)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(jié),介紹了光纖軸向和徑向的兩種微結(jié)構(gòu),即光纖光柵和微納光纖?；诠獠▽?dǎo)理論,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(xué)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(yīng)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(yīng)變存在函數(shù)關(guān)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(yīng)變傳感。通過實驗,我們得到了0.02με/縱模的應(yīng)變靈敏度,比光學(xué)解調(diào)的FBG應(yīng)變傳感器提高約兩個數(shù)量級。
　　(3)提出了一種結(jié)合光纖光柵和微納光纖的新型結(jié)構(gòu)。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(yīng)變、折射率等參量都有特定的光譜響應(yīng)。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(jié)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(diào)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(zhì)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(fù)合結(jié)構(gòu),并研究其激光和傳感特性。利用光學(xué)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(jié)構(gòu)具有均勻的、