新型光纤偏振器及干涉仪设计与应用研究

论文摘要

光纤偏振器是一种基础光纤无源器件。自上世纪80年代至今,很多高性能的光纤偏振器已经被研制出来。然而传统的光纤偏振器具有固定的偏振方向和消光比,它们通常作为辅助器件被用于光纤光学系统,作为敏感器件的报道非常少见。设计一种偏振度和偏振方向连续可调的光纤偏振器,并把其作为敏感器件开展应用研究,具有重要意义。磁流体是一种新型功能材料,具有多种磁光特性,可实现对光偏振态的动态调控。本文基于磁流体设计可调光纤偏振器,并尝试探索其应用领域。光纤马赫-曾德干涉仪以光纤为传输介质搭建光路,结构简单,操作灵活,被广泛应用于传感器设计。然而,其制作和应用仍然面临许多障碍,例如光谱复杂、分辨率低、再现性差、操作难度高、信号采集系统昂贵等。为解决这些难题,本文设计一种基于宽带光源的分波前光纤干涉仪,并把其应用于折射率测量。此外,本文还开发一种激光干涉仪的实时正交解调方案,用于相位解包裹,实现高精度距离测量。具体研究内容如下:1.基于磁流体与微纳光纤的光纤偏振器设计。在微纳光纤表面具有很强的三维轴对称倏逝波,便于从各个方向对微纳光纤中传播的光波进行调制。本文将微纳光纤浸入磁流体,并沿垂直于光纤方向施加调制磁场,设计一种在线可调光纤偏振器。偏振调制原理是基于施加磁场后磁流体的磁光二向色性,及磁性纳米颗粒在微纳光纤周围的非圆对称分布。该可调光纤偏振器可以实现对光偏振度和偏振方向的连续调制。研究发现,较细的微纳光纤虽然具有较大的插入损耗,但它能够产生较大的光偏振度;施加某些强度的磁场后,光偏振度的增加会持续很长一段时间,然后达到磁饱和,单纯定义磁流体的饱和磁场没有意义;高浓度的磁流体,以及强磁场,具有强的光偏振调制能力,但是会引入更大的光功率损耗。当磁场方向从0o变化到360o时,光纤偏振调制器显示出很好的方向响应。2.基于磁流体与D形光纤的光纤偏振器设计。由于微纳光纤的脆弱性,导致其易碎、易断,操作难度大,难以重复利用。相对于微纳光纤,D形光纤更具鲁棒性。在D形光纤抛光面上也有很强的倏逝波,便于对光的偏振态进行调制。本文将D形光纤浸入磁流体,并施加平行于光纤抛光表面的磁场,设计一种在线鲁棒光纤偏振器。理论分析与实验结果都证明磁流体的磁光二向色性对D形光纤的光偏振调制起关键作用。当磁流体膜被放置在外磁场中固化时,利用显微镜可以观察到由磁性纳米颗粒簇组成的规则线。在光偏振调制过程中,平行于磁场偏振的倏逝场比其正交分量具有更大的损耗。通过研究影响光偏振调制的因素发现:具有宽抛光面的D形光纤的偏振易于调制;高浓度磁流体、大磁场具有强的能力来调制D形光纤偏振;此外还通过实验获得了光偏振调制的时间响应。3.基于磁流体与微纳光纤的矢量磁场传感器设计。把微纳光纤浸入磁流体,基于光偏振态的检测,设计一种矢量磁场传感器。研究发现,如果磁场强度较大,则光偏振调制的响应时间较长,不适合时变磁场的测量。只有当待测磁场强度满足特定阈值条件时,光偏振调制才有较好的瞬态响应。在磁场强度满足检测阈值的条件下,磁滞对磁场传感器的影响可以忽略。磁场传感器对磁场方向具有良好的取向响应。但是需要指出,在磁场方向检测过程中,存在180o的不确定性。因为该磁场传感器不能区分磁场方向。与磁场强度传感不同,如果检偏器旋转速度足够快,磁场方向的测量不受检测阈值的限制。矢量磁场传感器的信号分析系统由一个偏振分束器和两个光电探测器组成,无需精密且昂贵的光谱分析设备,结构简单,成本低廉。4.基于磁流体与微纳光纤的免标记生物传感器设计。蛋白质可以诱导功能化磁性纳米颗粒的自组装,形成较大的团簇。该团簇在基液中的移动速度小于单个磁性纳米颗粒,当施加或去除外磁场时,磁流体对微纳光纤的偏振调制响应时间将会变长。本文基于功能化磁流体对微纳光纤偏振调制响应时间的变化,设计一种免标记光纤生物传感器。以牛血清蛋白为例开展生物传感实验。偏振调制得到的最大偏振度pmax,及最大和最小偏振度之差Δp,都随着牛血清蛋白浓度的增加而单调减小。可以通过检测pmax和Δp来获取牛血清蛋白的浓度。由于无需对微纳光纤表面进行功能化,可极大降低实验操作难度,简化生物传感过程。信号采集系统无需借助昂贵的光谱分析设备,成本低廉,响应速度快。5.分波前鲁棒光纤马赫-曾德干涉仪研究。在两个对准的格林透镜光纤准直器之间构建一个空腔;把一片PET膜插入该空腔,从第一个光纤准直器出射的高斯光束的波前被分成两部分;第二个光纤准直器会聚该高斯光束进入单模光纤,构造出具有鲁棒性的分波前光纤马赫-曾德干涉仪。干涉仪的有效光谱宽度大于390nm,足以构建敏感光纤传感器。COMSOL Multiphysics仿真和实验结果表明,该马赫-曾德干涉仪基于多光束干涉。由于插入损耗很小,当光谱仪的采样精度为0.1nm时,仍然获得了稳定性、重复性很好的干涉条纹。从而确保基于该干涉仪的光纤传感器具有高分辨率。当盐水的盐度增加千分之一时,干涉仪条纹中,两个相邻的谐振波长分别移动-0.78nm、-0.81nm,显示出高的灵敏度。该干涉仪可被广泛用于检测物理,化学或生物量。6.基于拐点检索进行相位解包裹的激光测距仪研究。提出一种基于波长扫描干涉仪的实时距离测量方案。基于总结得到的两个波形变换规律,把干涉信号转换成初步变换信号;然后利用不连续点判断法、相邻零点距离判断法,这两种互补的方法,检索干涉信号的拐点;基于初步变换信号及检索到的拐点,构造正交信号。用正交解调算法解调相移之后,根据中心波长及波长调制深度计算待测距离。当测量毫米量级的距离时,测量结果在一小时内波动约为微米量级。相比于PGC解调方案,本方案的测量复杂性和成本都极大降低,同时仍然可以获得理想的测量结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 光纤偏振器的研究背景及意义
•     1.1.2 光纤马赫-曾德干涉仪的研究背景及意义
•     1.1.3 波长调制激光干涉仪的研究背景及意义
•   1.2 光纤偏振器的发展现状
•     1.2.1 基于D型光纤的偏振器
•     1.2.2 基于微纳光纤的偏振器
•     1.2.3 其它典型光纤偏振器
•   1.3 磁流体在光纤光学系统中的应用现状
•     1.3.1 磁流体简介
•     1.3.2 磁流体的磁致折射率变化特性的应用
•     1.3.3 磁流体的磁致双折射特性的应用
•     1.3.4 磁流体的磁光法拉第效应特性的应用
•   1.4 磁流体磁光特性的振荡偶极子模型
•     1.4.1 模型的发展
•     1.4.2 振荡偶极子模型
•     1.4.3 磁流体的磁致双折射和磁光二向色性的表现形式
•   1.5 本文的研究内容
• 第2章 基于磁流体与微纳光纤的可调光纤偏振器
•   2.1 研究背景
•   2.2 微纳光纤的制备
•   2.3 光偏振调制原理
•   2.4 光偏振调制与检测实验装置
•   2.5 实验结果与分析
•     2.5.1 微纳光纤直径对实验结果的影响
•     2.5.2 与磁流体浓度相关的光偏振调制时间响应
•     2.5.3 磁场强度对偏振度的影响
•     2.5.4 光偏振调制的方向响应
•   2.6 本章结论
• 第3章 基于磁流体与D形光纤的可调光纤偏振器
•   3.1 研究背景
•   3.2 基于磁流体的D形光纤可调偏振器基本原理
•     3.2.1 偏振调制基本原理
•     3.2.2 D形光纤制作,及抛光表面上磁性纳米颗粒链的观察
•   3.3 实验装置
•   3.4 影响D形光纤偏振调制的因素分析
•     3.4.1 D形光纤抛光面宽度对偏振调制结果的影响
•     3.4.2 磁流体浓度对偏振调制结果的影响
•     3.4.3 磁场强度对偏振调制结果的影响
•   3.5 本章结论
• 第4章 基于磁流体与微纳光纤的矢量磁场传感器
•   4.1 基于磁流体的光纤磁场传感器研究背景
•     4.1.1 基于光纤干涉仪的磁场传感器
•     4.1.2 基于特种光纤的磁场传感器
•     4.1.3 基于光纤光栅的磁场传感器
•     4.1.4 基于回音壁谐振腔的磁场传感器
•     4.1.5 磁场传感器存在的问题
•   4.2 基于微纳光纤偏振调制的磁场传感基本原理
•   4.3 磁场传感实验装置和信号处理方法
•     4.3.1 实验装置
•     4.3.2 信号处理方法
•   4.4 结果与讨论
•     4.4.1 光偏振调制的长时间响应
•     4.4.2 磁场传感器的瞬态响应
•     4.4.3 磁场强度传感
•     4.4.4 磁滞现象对磁场传感的影响
•     4.4.5 磁场方向传感
•   4.5 本章结论
• 第5章 基于磁流体对微纳光纤偏振调制响应的免标记生物传感器
•   5.1 光纤生物传感器研究背景
•     5.1.1 基于光纤干涉仪的生物传感器
•     5.1.2 基于回音壁谐振的生物传感器
•     5.1.3 基于光纤光栅的生物传感器
•     5.1.4 基于微纳光纤耦合器的生物传感器
•     5.1.5 免标记光纤生物传感器存在的问题分析
•   5.2 生物传感原理
•   5.3 生物传感所用材料
•   5.4 实验装置
•   5.5 结果和讨论
•     5.5.1 稀释磁流体的光偏振调制表征
•     5.5.2 微纳光纤偏振调制对蛋白质诱导的功能化磁性纳米颗粒自组装的响应
•   5.6 本章结论
• 第6章 分波前鲁棒光纤马赫-曾德干涉仪
•   6.1 光纤马赫-曾德干涉仪研究背景
•   6.2 实验装置和原理
•     6.2.1 分波前光纤马赫-曾德干涉仪实验装置
•     6.2.2 多光束干涉原理
•   6.3 分波前光纤马赫-曾德干涉仪的表征
•     6.3.1 有效光谱宽度
•     6.3.2 分波前光纤马赫-曾德干涉仪的相对透射光谱
•     6.3.3 多光束干涉模拟仿真
•   6.4 盐度传感应用
•   6.5 本章结论
• 第7章 基于拐点检索进行相位解包裹的激光测距仪
•   7.1 研究背景
•   7.2 实验装置
•   7.3 正交解调原理
•   7.4 获取干涉信号正交信号的方法
•     7.4.1 初步变换信号的获取
•     7.4.2 检索拐点的方法
•     7.4.3 去除错误点的方法
•     7.4.4 构造正交信号的方法
•   7.5 解调结果和讨论
•   7.6 本章结论
• 第8章 结论
•   8.1 总结
•   8.2 展望
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 马任德

导师: 夏云杰

关键词: 光纤偏振器,磁流体,微纳光纤,形光纤,磁场传感器,免标记生物传感器,分波前光纤干涉仪,相位解包裹,激光测距仪

来源: 曲阜师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,仪器仪表工业,无线电电子学

单位: 曲阜师范大学

分类号: TH744.3;TN253

总页数: 121

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