基于D形DBR光纤激光器的传感技术研究

论文摘要

光纤是一种体积小、质量轻、抗电磁干扰、抗辐射性能好的光波导,工作频带宽,在通信领域得到广泛的应用。与此同时,人们也将光纤应用到传感技术中,光纤传感具有结构紧凑、可复用、耐腐蚀性强等优势,因此光纤传感技术被人们广泛的研究,近年来光纤传感被应用于各种学科领域,如基础科学,工程,航空航天,医学等。光纤传感之所以能够不断发展,主要归功于人们对基础原理、材料性质和光纤结构的不断探索。光纤传感技术通常利用光信号的强度、偏振、波长及相位作为传感参量,然而光谱分析仪的光谱分辨率限制了光纤传感器件的探测极限,使得分辨率难于进一步的提高。随着人们对光学基础原理的探索,人们发现借助于拍频手段将光信号的频率降到GHz量级,然后利用光电探测器将光信号转化为微波信号。将光纤传感中的探测信号由光谱信号转变为频谱信号,这样可以大大提高传感的分辨率,从而实现高精度的光纤传感。掺铒光纤的出现为光纤激光器的实现提供了可能性,一种简单紧凑的光纤激光器结构—分布式布拉格反射（DBR）成功被研制出来,该结构能够持续稳定的输出单纵模激光,且具有较高的信噪比,深受光纤通信和光纤传感领域的青睐。本文提出了一种基于D形DBR光纤激光器的光纤传感器,该传感器可以同时实现轴向拉力和折射率的测量。该DBR结构是在一段长度为45 mm的铒镱共掺光纤上刻写长度分别为16 mm和24 mm的两段光纤布拉格光栅,然后利用轮式侧抛系统对DBR的结构进行加工,这样可以为DBR光纤激光器引入一定的双折射,同时可以提高器件的传感性能。该装置的工作原理是DBR受到的轴向拉力和外界折射率的变化都会引起DBR结构双折射的改变,从而引起DBR光纤激光器输出的两个正交偏振模式光拍频信号频率的改变,因此,可将激光输出的两偏振模式光的拍频信号用于测量DBR受到的轴向拉力和外界环境的折射率。这种器件制造工艺简单、成本低,轴向拉力和折射率分辨率高,其轴向应力分辨率可达到5.6014×10-8N,折射率分辨率可达到1.9259×10-5RIU。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 DBR光纤传感器及其发展概况

1.2.1 DBR光纤传感器的发展

1.2.2 DBR光纤传感器的应用

1.3 光纤微结构的制造工艺

1.3.1 轮式抛磨技术

1.3.2 化学腐蚀法

1.3.3 飞秒激光器加工

1.4 本文的主要研究内容

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 创新之处

第2章 DBR光纤激光器以及纵模拍频的基本原理

2.1 引言

2.2 DBR光纤激光器的工作原理

2.2.1 DBR光纤激光器的结构和工作原理

2.2.2 光纤布拉格光栅理论及传感特性分析

2.2.3 有源光纤的掺杂对激光器输出的影响

2.3 光纤激光器不同模式之间的拍频原理

2.3.1 DBR光纤激光器输出的模式分析

2.3.2 DBR稳定单纵模的实现方法

2.3.3 DBR光纤激光器的模式拍频原理

2.4 D形结构光纤的双折射理论分析

2.5 基于COMSOL软件的D形光纤双折射理论分析

2.5.1 单模光纤的模场分布

2.5.2 D形光纤的模场分布

2.5.3 D形光纤的结构参数与双折射之间关系研究

2.6 DBR光纤激光器传感特性的基本理论分析

2.6.1 基于偏振模拍频的DBR传感原理

2.6.2 基于偏振模拍频的D形DBR的传感原理

2.7 本章小结

第3章 D形 DBR光纤激光器的光谱和频谱特性研究

3.1 D形 DBR光纤激光器的制作

3.2 DBR光纤激光器的光谱和频谱特性

3.2.1 DBR的两光纤布拉格光栅的反射光谱

3.2.2 DBR光/频谱特性测试实验原理

3.2.3 DBR光纤激光器输出的光谱信号

3.2.4 DBR光纤激光器输出的频谱信号

3.3 D形 DBR光纤激光器的光谱和频谱特性

3.3.1 D形 DBR光纤激光器的光谱

3.3.2 D形 DBR光纤激光器的频谱

3.4 DBR光纤激光器的温度特性

3.5 本章小结

第4章基于D形 DBR光纤激光器的传感特性研究

4.1 引言

4.2 折射率测试试验

4.2.1 磨抛深度对折射率传感灵敏度的影响

4.2.2 DBR折射率传感的温度特性分析

4.2.3 D形 DBR折射率传感器的封装

4.3 轴向拉力测试试验

4.3.1 D形 DBR光纤轴向拉力传感的工作原理

4.3.2 D形 DBR光纤轴向拉力传感实验

4.3.3 轴向拉力传感灵敏度分析

4.4 D形 DBR光纤激光器的传感分辨率

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨新锋

导师: 邵理阳

关键词: 光纤传感,分布式布拉格反射,轴向拉力,折射率,轮式侧抛系统

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN248

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004262

总页数: 67

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