具有特征波長的少模光纖特性及其在傳感方面的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，In-LineM-Z干涉儀作為應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、曲率傳感器、折射率傳感器等被廣泛研究。這種干涉式傳感器在具有傳統(tǒng)M-Z干涉儀傳感器的高靈敏度的同時(shí)，克服了傳統(tǒng)傳感器參考臂需要屏蔽外界信號(hào)的缺點(diǎn)。然而，常規(guī)In-Line M-Z干涉儀的傳輸譜隨波長變化存在周期性的干涉峰/干涉，這會(huì)使干涉峰/谷的識(shí)別產(chǎn)生困難，不易標(biāo)識(shí)和跟蹤，也使得測量范圍受輸入-輸出信號(hào)存在多值對(duì)應(yīng)關(guān)系等問題的制約。雖然對(duì)基于芯模與包層模、高階芯模干涉，采用

2、異形單模光纖、多模光纖、少模光纖等的In-Line M-Z干涉儀研究已有一些報(bào)道，并且有些研究也觀察到傳輸譜中存在各自定義的“特征波長”，但這些研究都是基于特征波長基本不隨被測物理量的變化而移動(dòng)，通過測量傳輸譜的干涉峰/谷波長移動(dòng)來獲得被測物理量（如溫度、應(yīng)變）的信息，對(duì)特征波長將隨被測物理量變化這一規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)。本文首次系統(tǒng)地研究了具有特征波長的少模光纖的傳輸特性，并對(duì)基于這種光纖的In-LineM-Z干涉儀的傳輸譜及特征波長隨多種被

3、測物理量的變化規(guī)律進(jìn)行了研究和分析，提出并驗(yàn)證了多種基于特征波長變化的傳感器與檢測方案，取得了多個(gè)創(chuàng)新的結(jié)果。研究內(nèi)容主要包括:
　　1.本文理論分析并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了特征波長和LP01模和LP02模之間干涉形成的干涉峰隨各種物理量如應(yīng)變、彎曲、溫度等變化的規(guī)律，增加了對(duì)這類存在特征波長的光纖傳感器關(guān)鍵特性變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
　　2.提出將特征波長隨被測物理量（應(yīng)變、彎曲、溫度）單調(diào)變化的規(guī)律用于被測參數(shù)的傳感測量，由于特征波長在

4、工作波段的唯一性以及其隨被測物理量變化的單調(diào)性，能夠解決常規(guī)干涉式傳感器在信號(hào)檢測上的問題。更進(jìn)一步在這基礎(chǔ)上提出了特征波長用于傳感測量的檢測方案，發(fā)展了干涉式光纖傳感器的檢測方法。
　　3.本文通過理論分析被測物理量（應(yīng)變、彎曲、溫度）對(duì)少模光纖傳感特性的影響和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定并修正了對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)少模光纖的分析方法:傳統(tǒng)分析少模光纖應(yīng)變和多模光纖彎曲特性的方法，適用于分析這種特殊設(shè)計(jì)的少模光纖特性;然而在分析這種特殊設(shè)計(jì)的少模光

5、纖的溫度特性時(shí)，由于纖芯和包層各個(gè)材料熱膨脹系數(shù)不同引起的光纖表面的熱應(yīng)力對(duì)少模光纖溫度特性的影響不可忽略。對(duì)少模光纖的理論分析有指導(dǎo)意義。
　　4.將具有特征波長的少模光纖用于傳感應(yīng)用，研究了少模光纖的干涉峰和特征波長用于應(yīng)變、彎曲、溫度傳感特性，并且:
　　1)基于少模光纖的彎曲特性，設(shè)計(jì)了兩種基于特征波長檢測大位移傳感器:初始長度18mm測量范圍為120mm和初始長度24mm測量范圍為350mm的位移傳感器。由于少模光

6、纖中LP01-LP02模干涉對(duì)彎曲敏感，因此不需要對(duì)少模光纖施加任何外力和膠水進(jìn)行固定，這種傳感器更加穩(wěn)固可靠。
　　2)基于少模光纖特征波長的溫度特性，實(shí)現(xiàn)了基于少模光纖的高溫測量，測量溫度高達(dá)700℃。
　　5.基于FMF的特征波長存在以及其隨被測參數(shù)的變化規(guī)律，提出兩種檢測方案:
　　1)通過檢測特征波長檢測被測量的解調(diào)方案，前期研究結(jié)果表明特征波長隨被測物理量單調(diào)變化，因此特征波長可用于被測物理量的測量，并提出

7、在實(shí)際測量中，可以利用特征波長兩側(cè)的易識(shí)別的第一個(gè)干涉峰和干涉谷確定特征波長。
　　2)用特征波長附近形成的超寬帶寬的濾波器的傳輸率隨被測物理量變化時(shí)，可有效調(diào)節(jié)寬帶光源的輸出光強(qiáng)，提出一種強(qiáng)度檢測方案。ASE寬帶光源的輸出功率被特征波長附近的超寬帶寬濾波器的傳輸率調(diào)節(jié)，而該處濾波器的傳輸率由作用在少模光纖上的應(yīng)變/溫度調(diào)節(jié)。該方案能夠克服特征波長隨被測物理量移動(dòng)引起的傳統(tǒng)功率測量方法的失效的問題，而且當(dāng)FMF較短時(shí)具有較大的動(dòng)態(tài)