基于多模干涉光纤结构的光纤激光传感特性研究

摘要

由于汽车工业、航天军事、电力系统、石油勘探、环境监测、建筑检测等多方面的诸多需求，传感器技术引起各国学者和专家越来越广泛的关注。随着光纤器件的价格越来越低廉，种类越来越繁多，光纤通信技术越来越成熟，在二十世纪七十年代末发展起来一门不同于传统的全新的传感器技术，即光纤传感技术。光纤传感系统由于其重量轻，体积小，功耗低，隔离电磁干扰和遥控操作方便，而被广泛应用于温度、应力、湿度、位置、震动、声学、电、磁、生化等方面的传感测量。而基于多模干涉效应（Multimode Interference,MMI）的单模-多模-单模（SMS）光纤结构可用于滤波、传感和信号处理，这种光学器件提供了具有多优势的全光纤解决方案，其易制造、易包装、易于与其它光纤相连接的优势使其在传感领域被普遍地研究和应用。因光纤激光器的输出激光能够得到较高的分辨率和灵敏度，可以改善SMS光纤传感的效果，因此本文将多模干涉光纤结构与光纤激光器相结合，从理论、模拟和实验上分析基于SMS光纤结构的光纤激光传感特性。
　　本文的主要研究工作如下：
　　（1）叙述了本文的研究背景和意义，概述了基于多模干涉效应的光纤传感结构和光纤激光传感技术的研究现状。
　　（2）从理论上阐述了SMS光纤结构中的多模干涉效应，并从色散方程出发推导了SMS光纤结构的输出波长表达式。从这个表达式出发进一步分析了SMS光纤结构的滤波特性以及温度、纵向应变和外界环境折射率的传感响应机理。
　　（3）基于光束传播分析法，利用Rsoft软件对SMS光纤结构中多模光纤内光场分布及其滤波特性进行了仿真模拟，并分别模拟了多模光纤长度、纤芯直径、包层折射率对SMS光纤结构光输出特性的影响，从理论上论述了SMS光纤结构可用于温度、应变、折射率等方面的传感及监测。
　　（4）理论上分析了基于SMS结构的光纤激光器的输出特性，并利用MATLAB进一步模拟了掺铒光纤长度、掺铒浓度、耦合比和SMS光纤结构干涉极大值中心波长对激光输出特性的影响，为后文中光纤激光传感系统的设计、制作和调试提供了理论基础。
　　（5）设计并制作了基于SMS光纤结构的环形腔掺铒光纤激光传感系统，搭建了温度、应变、折射率和微弯传感实验装置。分别开展了温度、纵向应变、折射率和微弯等方面的传感特性实验研究。对基于SMS光纤结构的光纤激光系统的传感特性进行了讨论，分析了不同实验结果的差异及优缺点，并总结了相关传感规律。取得的部分实验结果如下：基于SMS光纤结构的光纤激光传感系统的温度传感灵敏度是13.24pm/oC，纵向应变传感灵敏度是1.29pm/με，折射率传感灵敏度是180.21nm/RIU。与传统的SMS结构的光纤传感器相比，在分辨率方面有一定程度的提高，所取得的个别指标略低于光纤光栅结构的光纤激光传感器。进一步证实了本文设计的基于SMS光纤结构的光纤激光传感系统在温度、应变和折射率方面的应用潜质。微弯传感特性的测试结果显示传感趋势与理论分析是一致的，但传感特性不理想，规律性不强，实验测试装置有待改进。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

第2章 关于SMS光纤结构的理论研究

2.1 SMS光纤结构的多模干涉效应及传感原理

2.2 本章小结

第3章 SMS光纤结构光传输特性的数值模拟与分析

3.1 光束传播分析法的基本原理

3.2 SMS光纤结构光传输特性的数值模拟与分析

3.3 本章小结

第4章 基于SMS光纤结构的光纤激光器输出特性的理论研究

4.1 光纤激光器理论模型的建立

4.2 光纤激光器输出特性的数值模拟分析

4.3 本章小结

第5章 基于SMS结构的光纤激光传感特性实验研究

5.1 SMS光纤传感头结构的制备与性能分析

5.2基于SMS光纤结构的环形腔光纤激光传感系统的设计与制备

5.3 基于SMS光纤结构的光纤激光系统的温度传感实验研究

5.4 基于SMS光纤结构的光纤激光系统的应变传感实验研究

5.5 基于SMS光纤结构的光纤激光系统的折射率传感实验研究

5.6 基于SMS光纤结构的光纤激光系统的微弯传感实验研究

5.7 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢