【摘 要】
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模式干涉型光纤传感器具有体积小、全光纤化、易加工等一系列优势,在近年来已逐步成为了在光纤传感方面的研发重点。目前,国内外学者从不同方面对模式干涉型光纤传感器进行了研究,但是关于单模-无芯-单模（Single-mode-No-Core-Single-mode,SNS）传感器的结构参数优化和分析过程鲜有报道,基于不同参数产生的透射谱所具有的规律性亟需研究,同时该研究对SNS结构的设计具有指导意义。本论
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模式干涉型光纤传感器具有体积小、全光纤化、易加工等一系列优势,在近年来已逐步成为了在光纤传感方面的研发重点。目前,国内外学者从不同方面对模式干涉型光纤传感器进行了研究,但是关于单模-无芯-单模（Single-mode-No-Core-Single-mode,SNS）传感器的结构参数优化和分析过程鲜有报道,基于不同参数产生的透射谱所具有的规律性亟需研究,同时该研究对SNS结构的设计具有指导意义。本论文在多模干涉（Multi-mode Interference,MMI）原理的基础上,以SNS光纤结构为研究对象,提出一种提高折射率灵敏度的参数优化方式,并将此种方法进行实验验证,然后结合传感理论,确立模式干涉型光纤传感器的灵敏度提高方法,并提出一种优化后的光纤传感网络（Optical Fiber Sensing Network,OFSN）结构来完成极端环境下的测量。主要研究内容如下:（1）从光纤的模式理论出发,将从圆波导角度分析的无芯光纤（No-Core Fiber,NCF）波导模型与模式传输分析方法相结合,建立光在SNS结构中传输的理论模型。对SNS结构的透射谱进行理论分析,阐述折射率传感机理,通过仿真对NCF的几何参数及波段进行优化,同时研究SNS结构中单模光纤（Single-mode Fiber,SMF）对传感灵敏度的影响,从而得到提高SNS结构折射率灵敏度的方法。（2）SNS结构的参数优化方法是在折射率精确到0.005的情况下得到了,后续将折射率数值精确到0.001、0.0001去说明SNS结构参数优化结果可进行更为精密的折射率灵敏度传感。并在折射率传感过程中考虑了温度的影响,同样验证了参数优化结果也适用于温度微变的折射率传感测量环境。（3）对SNS结构参数优化过程进行实验验证,但由于小芯径的SNS结构在实验室制作比较困难,因此选取SNS结构传感与单模-多模-单模（Single-mode-Multi-mode-Singlemode,SMS）结构传感相结合的方式进行实验。且两种传感结构根据各自的需要,分别选择波长调制和强度调制。（4）在SNS结构传感的理论与实验的基础上,提出一种星型总线拓扑光纤传感网络,分析了鲁棒性与网络结构参数之间的关系,得出网络拓扑结构的基本设计原则,通过对不同光纤传感器系统的同时复用,验证了该网络的可行性。基于前人的研究成果,本论文对SNS所构成的MMI光纤传感结构进行研究,讨论了将SNS结构作为检测环境参数的光纤传感器的可行性。主要创新内容如下:通过优化NCF的参数,确定可以提高SNS结构折射率灵敏度的方法,进而给MMI结构的传感器提供了一种灵敏度优化步骤;在细芯SNS结构难制备的情况下,采用SNS结构与SMS结构相互结合的方式对优化方法进行实验验证;因不同厂家生产的无机盐,其溶液浓度与对应折射率的数值存在差异,因此以浓度灵敏度代替折射率灵敏度进行实验分析,可提高灵敏度准确性;实验过程中,根据不同需求分别采用波长解调、强度解调的方式对SNS结构、SMS结构进行实验验证;提出一种优化后的可多路复用不同类型光纤传感器、同时监测不同参量的OFSN。
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