光子晶体光纤传感特性研究

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光纤传感技术是利用外界物理因素改变光纤中的光强度、相位或波长等参量,实现对外界待测物理量的测量和数据传输的新型传感技术。在工业生产过程中的控制和监测系统、交通运输、医疗保健、环境保护以及宇航系统等各方面得到广泛地应用。  本论文选用两种类型的光子晶体光纤,对光子晶体光纤进行了深入的探讨。重点从理论和实验上研究其导光原理,探索光子晶体光纤环镜的传感特性。光纤环镜是利用Sagnac干涉原理制成的,将光子晶体光纤作为传感元件加入到光纤环镜中,与保偏光纤的双折射特性相结合,阐述了光子晶体光纤环镜的传感原理。在理论方面,基于全矢量平面波法,对填充有高温度系数的液体空芯光子晶体光纤的物理性质进行了数值计算和分析。选取仅填充纤芯空气孔及填充所有的空气孔两种方式,通过改变入射波长、温度、包层空气孔间距等参量,研究光子晶体光纤有效折射率的变化情况。在实验方面,我们分别对接入光子晶体光纤长度为18.3cm和34.3cm的光纤环镜进行了温度、应力传感测试,测得光子晶体光纤环镜传感探头的温度稳定性很好,对应变具有较高的敏感性,灵敏度分别为:0.45069nm/mε和0.95006nm/mε,线性相关度分别为0.99998和0.99966。由于光子晶体光纤具有超低的温度系数,因此可以有效的消除应力传感实验中温度的影响。此外,我们将光子晶体光纤空气孔中填入甲醇溶液,探测填充液体后的温度传感性能,发现其温度特性发生很大改变,测得温度灵敏度为0.44638nm/℃。除了利用温度作用引起光纤环镜透射光谱移动的特性探测波长漂移之外,我们还对波长为1550nm处的强度进行了探测。实验中将DFB激光作为入射光源,用光纤功率计检测经过光子晶体光纤环镜后的透射光强度,实现了基于强度检测的温度传感,发现在一定温度范围内,光子晶体光纤环镜的透射光强度与温度变化呈二次函数关系。
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