基于结构扰动的长周期光纤光栅的制备及特性研究

论文摘要

长周期光纤光栅（Long-period fiber grating,LPFG）是当前应用较为广泛的传感器件。本论文提出了两种基于结构扰动的LPFG复合结构。一种是与LPFG级联的复合结构,由于熔融扭转与熔锥型扭转等微结构具有波分特性,从纤芯中进入的能量在受到微结构扰动时,会有一部分能量进入到光栅的包层中,从而破坏了原模式间的相速度的简并特性。其中微结构与LPFG构成马赫泽德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）,通过调节微结构与LPFG的间距来获得便于测量的透射谱,并以此为基准对熔融扭转、熔锥型扭转等微结构级联LPFG型传感器的传感特性进行测量。另一种是局部熔融包、扭转、锥等微结构LPFG的复合结构,由熔融光纤包、扭转以及锥等微结构的制备可知,他们会导致纤芯形变,打破了不同模式之间相速度的简并特性。接下来对上述两种方法制备出的LPFG复合结构的传感器进行制备并测试温度、应变以及弯曲等传感特性,取得了良好的实验结果及实际应用价值。首先,对于常用于分析光纤光栅的耦合模理论、传输矩阵方法以及基于光纤复合结构的马赫泽德干涉理论、相移LPFG原理进行简单的分析与总结,并归纳出LPFG在研究过程中的理论途径,并且在耦合模理论的基础之上,对于LPFG的部分传感特性理论进行简单的讨论,包括马赫泽德干涉原理以及LPFG相移原理。并根据上述理论提出了两种基于结构扰动的LPFG复合结构。其次,针对于LPFG级联结构进行了相关实验,得到制备出的熔融扭转级联LPFG复合结构具备扭转的方向相关性,顺时针扭曲结构时,透射谱中两个谐振峰的波长均向长波方向移动,灵敏度分别为0.058 nm/(rad?m-1)和0.117 nm/(rad?m-1);逆时针扭曲结构时,两个谐振峰的波长向短波方向移动,灵敏度分别为0.055 nm/(rad?m-1)和0.262 nm/(rad?m-1)。将所测得的扭转和温度灵敏度代入到温度、扭转同时测量的矩阵中得到:得到顺时针扭转时,扭转和温度的分辨率分别为0.04 rad/m和0.49°C;逆时针扭转时,扭转和温度的分辨率分别为0.01 rad/m和0.43°C,验证了提出的结构在温度与扭转分辨率上表现良好。在不同温度情况下,两个谐振峰顺时针扭转波长平均灵敏度标准差分别为0.0027nm/(rad?m-1)和0.0049nm/(rad?m-1);两个谐振峰逆时针扭转的波长平均灵敏度标准差分别为0.0013nm/(rad?m-1)和0.0222nm/(rad?m-1)。此外,对于另一种级联LPFG结构:熔锥型扭转级联LPFG结构,分别测试了其温度和应变特性,发现该结构的双峰的温度灵敏度较为相似;而在施加应变时,两个谐振峰的波长灵敏度和他们的幅值灵敏度差别较大,故可证得该结构可以进行双参数测量。最后,提出了三种基于相移原理的局部微结构的LPFG复合结构,所用到的局部微结构分别为熔融包、扭转和锥。并对三种复合结构的温度、弯曲和应变特性进行相应的测量。由实验结果可知,三种结构均可以对原LPFG的包层扰动,使透射谱分裂为双峰。且这三种结构的温度特性较为相似,透射谱中的双峰均随着温度的增大向长波方向发生漂移,且线性度较好。说明局部微结构并未对LPFG的温度特性产生较大的干扰。但这三种结构的弯曲和应变特性中,一个峰则与未引入微结构前的LPFG特性有较大提高,说明局部应用微结构对曲向和拉伸度产生影响。由于弯曲和应变特性差别较大,但温度灵敏度差距较小,可对这三种结构进行多参数测量。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题的研究背景和意义
•   1.2 LPFG的制备方法
•   1.3 LPFG在传感领域的应用
•   1.4 本论文的主要工作
• 第2章 LPFG复合结构器件原理
•   2.1 LPFG原理
•     2.1.1 耦合膜理论
•     2.1.2 传输矩阵法
•   2.2 复合结构原理
•     2.2.1 级联LPFG的光纤马赫泽德干涉原理
•     2.2.2 局部微结构的LPFG相移原理
•   2.3 本章小结
• 第3章 级联LPFG复合结构的制备及传感特性研究
•   3.1 引言
•   3.2 熔融扭转级联LPFG结构的传感特性研究
•     3.2.1 复合结构的制备
•     3.2.2 熔融扭转级联LPFG结构扭转特性研究
•     3.2.3 熔融扭转级联LPFG结构温度特性研究
•     3.2.4 温度和扭转同时测量误差分析及相应交叉灵敏度
•   3.3 熔锥型扭转级联LPFG结构特性研究
•     3.3.1 复合结构的制备
•     3.3.2 熔锥型扭转级联LPFG结构应变特性研究
•     3.3.3 熔融扭转级联LPFG结构温度特性研究
•   3.4 本章小结
• 第4章 局部微结构LPFG的制备及传感研究
•   4.1 局部熔融包的LPFG结构制备及传感特性研究
•     4.1.1 复合结构的制备
•     4.1.2 温度特性的研究
•     4.1.3 弯曲特性的研究
•     4.1.4 应变特性的研究
•   4.2 局部熔融扭转的LPFG结构制备及其传感特性研究
•     4.2.1 温度特性的研究
•     4.2.2 弯曲特性的研究
•     4.2.3 应变特性的研究
•   4.3 局部熔融锥的LPFG结构制备及其传感特性研究
•     4.3.1 复合结构的制备
•     4.3.2 温度特性的研究
•     4.3.3 弯曲特性的研究
•     4.3.4 应变特性的研究
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姚宠

导师: 耿涛

关键词: 结构扰动,复合结构,级联,局部微结构,同时测量

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 65

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