長(zhǎng)周期光纖光柵理論及傳感特性研究.pdf

1、根據(jù)分析光纖的兩種光纖介質(zhì)模型:兩層介質(zhì)模型和三層介質(zhì)模型及長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)傳感理論，研究了不同包層半徑下，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)外界環(huán)境折射率、溫度、軸向應(yīng)變的傳感靈敏度，并對(duì)其傳感特性進(jìn)行了分析。此外，基于馬赫-曾德爾干涉儀提出了一種級(jí)聯(lián)的長(zhǎng)周期光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)，并根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵的耦合模理論及傳輸矩陣分析法對(duì)其傳感特性進(jìn)行了仿真分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)為了更加準(zhǔn)確的研究長(zhǎng)周期光纖光柵的傳感特性，

2、為各類傳感器的分析與設(shè)計(jì)及交叉敏感問(wèn)題的解決提供指導(dǎo)，本文依據(jù)兩種光纖介質(zhì)模型下纖芯模的本征方程仿真分析了單軸晶體光纖的兩層介質(zhì)模型與三層介質(zhì)模型下所得到的纖芯模有效折射率的差別，并基于該差別對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的外界環(huán)境折射率、溫度和軸向應(yīng)變傳感靈敏度進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明:對(duì)于薄包層光纖，兩層、三層介質(zhì)模型光纖的纖芯模有效折射率有較大差別;用兩層介質(zhì)模型和/或材料的折變系數(shù)計(jì)算所得的長(zhǎng)周期光纖光柵的外界環(huán)境折射率、溫度和軸向應(yīng)變靈敏度

3、有較大的誤差，需應(yīng)用三層介質(zhì)模型以及模式的有效折變系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算。據(jù)此計(jì)算了上述三種傳感靈敏度與光纖包層半徑及包層模序數(shù)之間的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:包層半徑一定時(shí)，由于不同包層模的波導(dǎo)色散因子正負(fù)極性的變化，使得外界環(huán)境折射率靈敏度、溫度靈敏度、軸向應(yīng)變靈敏度均出現(xiàn)變號(hào)。包層模序一定時(shí)，隨著包層半徑的減小，外界環(huán)境折射率靈敏度增大、溫度靈敏度減小、低階包層模的軸向應(yīng)變靈敏度增大、高階包層模的軸向應(yīng)變靈敏度減小。
　

4、　(2)為了解決單個(gè)長(zhǎng)周期光柵的透射譜帶寬相對(duì)較大，一定程度地限制了長(zhǎng)周期光柵的溫度靈敏度與測(cè)量精度的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可調(diào)諧，基于馬赫-曾德爾干涉儀提出了一種級(jí)聯(lián)的長(zhǎng)周期光子晶體光纖光柵的溫度傳感結(jié)構(gòu)，并依據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵的耦合模理論及傳輸矩陣法對(duì)該結(jié)構(gòu)的溫度傳感特性進(jìn)行了仿真分析。該結(jié)構(gòu)通過(guò)在光子晶體光纖上間隔一定距離寫入兩段級(jí)聯(lián)的長(zhǎng)周期光柵，并在光子晶體光纖空氣孔中填充液體乙醇，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的傳感。通過(guò)控制乙醇的溫度，可以改變光柵耦