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(cè)中,需要對(duì)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(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的分布式測(cè)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(guò)近二十年的發(fā)展,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、應(yīng)變、振動(dòng)、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(lèi)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?jī)?yōu)勢(shì),因而在地震傳感中有

2、獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
　　本論文針對(duì)光纖傳感器在地震前兆監(jiān)測(cè)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(shí)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(duì)光纖傳感器的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)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。基于光波導(dǎo)理論,對(duì)光纖光柵和微納光纖的光場(chǎng)分布進(jìn)行了全面的模擬仿真,并對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)高精度的應(yīng)變傳感。通過(guò)實(shí)驗(yàn),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(gè)數(shù)量級(jí)。
　　(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(gè)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(gè)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(zhǎng)選擇特性和微納光纖的強(qiáng)倏逝場(chǎng)特性,因此對(duì)溫度、應(yīng)變、折射率等參量都有特定的光譜響應(yīng)。從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了MFPI的折射率和溫度雙參量傳感,并針對(duì)MFPI光譜提出頻域?yàn)V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(gè)量級(jí)。
　　(4)實(shí)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(gè)直腔光纖激光器的反射鏡,在其相鄰的兩個(gè)反射峰上得到雙波長(zhǎng)激光輸出。雙

5、波長(zhǎng)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(cè)量雙波長(zhǎng)激光器的拍頻頻率,即可推算出MFPI周?chē)橘|(zhì)的折射率。實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了911MHz/RIU的折射率傳感靈敏度,折射率傳感精度可達(dá)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(duì)微納光纖進(jìn)行微操控,獲得兩個(gè)級(jí)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、