【摘 要】
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布里渊光纤传感技术是利用光纤中的布里渊散射现象对外界环境参数进行探测的一种光纤传感技术。利用光纤中的布里渊散射效应,可实现对国防军事、隧道矿地、工业控制、医药卫生、工厂建筑等领域的安全检测。随着近年来光纤制备工艺的提升,微纳光纤的制备技术越来越成熟,其光纤直径可以达到微米或纳米量级。在微纳光纤受激布里渊散射过程中,边界效应使得光子和声子在空间上受到强约束并高度重叠,产生了表面声波和混合声波这两种新
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布里渊光纤传感技术是利用光纤中的布里渊散射现象对外界环境参数进行探测的一种光纤传感技术。利用光纤中的布里渊散射效应,可实现对国防军事、隧道矿地、工业控制、医药卫生、工厂建筑等领域的安全检测。随着近年来光纤制备工艺的提升,微纳光纤的制备技术越来越成熟,其光纤直径可以达到微米或纳米量级。在微纳光纤受激布里渊散射过程中,边界效应使得光子和声子在空间上受到强约束并高度重叠,产生了表面声波和混合声波这两种新的声波模式。并且在微纳光纤中探测出多峰大增益的布里渊增益谱。因此,研究微纳光纤中的表面声波和混合声波布里渊散射效应,有利于促进布里渊光纤传感领域的创新检测。本文提出了一种基于微纳光纤中表面声波和混合声波布里渊散射实现温度和应变传感的研究方法。通过电致伸缩力下的弹性动力学方程求解表面声模和混合声模的特征频率。利用有限元分析方法对微纳光纤中光场和声场分布进行数值仿真,进而分析了不同直径下布里渊增益谱特性。根据温度和应变对材料特性的影响,数值仿真了表面声模和混合声模的温度和应变灵敏度,并提出一种实现温度和应变同时传感的方法。本文主要取得的成果如下:（1）建立了表面声波和混合声波布里渊散射理论分析模型,利用有限元分析方法求解微纳光纤在1μm直径下,光场能量分布、声场位移和密度分布。（2）数值仿真了微纳光纤在1～1.3μm直径下布里渊增益谱。由于在微纳光纤中受激布里渊散射激发了多个表面声模和混合声模,其布里渊增益谱具有多峰结构。除此之外,微纳光纤相比于单模光纤具有更小的声光有效面积,其布里渊增益更大。表面声波布里渊增益为7.2324 W-1m-1,混合声波布里渊增益为37.6959 W-1m-1,远大于单模光纤中0.4 W-1m-1的布里渊增益。（3）数值仿真了表面声模和混合声模在1～1.3μm直径下温度和应变灵敏度。结果表明,混合声模的温度和应变灵敏度分别高达1.082MHz/℃和0.0289MHz/με,适用于温度和应变分辨率高的微纳光纤传感应用。表面声模的温度和应变灵敏度受光纤直径变化的影响较小,温度和应变灵敏度随光纤直径变化分别为0.05～0.25MHz/℃/μm和0.1～0.5k Hz/με/μm。因此,利用表面声波布里渊散射实现温度和应变传感对微纳光纤的制备约束较小。（4）提出一种利用表面声模和混合声模组合实现温度和应变的同时传感的方法,在传感过程中温度和应变误差分别低至0.30～0.34℃和14.47～16.25με。
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