干涉型光纤传感器及悬芯微结构光纤光栅的传感特性研究

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1、分类号TN253学校代码10590UDC620密级公开深圳大学硕士学位论文干涉型光纤传感器及悬芯微结构光纤光栅的传感特性研究张玉风学位类别工程硕士专业学位专业名称光学工程学院（系、所）光电工程学院指导教师于永芹副教授深圳大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文干涉型光纤传感器及悬芯微结构光纤光栅的传感特性研究是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人

2、承担。论文作者签名：日期：年月日摘要光纤传感器具有低传输损耗、造价低廉、结构紧凑、高灵敏度和准确度、多参量传感、不受电磁干扰等一系列独有的特性，成为传感领域的研究热点。目前，应用较为广泛的光纤传感器包括法布里-珀罗光纤干涉仪、马赫-曾德光纤干涉仪和长周期光纤光栅传感器等。本论文就对这两种光纤干涉仪以及长周期光纤光栅传感器进行了研究，主要分析了基于毛细管和标准通信单模光纤的双腔法布里-珀罗干涉仪的压力和温度响应，研究了基于悬芯微结构光纤的马赫-曾德干涉仪以及长周期光纤光栅的温度和应变等传感特性。本论文的主要研究内容如下：1、概述了光纤传感器的特点、应用以及分类，还详

3、细介绍了各类光纤干涉仪和光纤光栅的工作原理，并列举了近些年来光纤传感器的研究进展。2、介绍了一种基于毛细管和标准通信单模光纤的双腔法布里-珀罗干涉全光纤压力传感器。将一段微米量级的毛细管与单模光纤进行电弧放电熔接得到双腔法布里-珀罗干涉仪，并用飞秒激光加工技术在毛细管侧壁打一个微通道以接通腔内与外界的空气。精确控制两个法布里-珀罗干涉腔的长度使得它们的自由光谱范围非常接近，最终形成光学游标（Vernier）效应，从而可以实现对光纤传感器的灵敏度进行放大。理论研究了Vernier效应的放大原理，并实验研究了基于双腔法布里-珀罗干涉仪的压力和温度传感特性。实验过程中分

4、别讨论了具有不同放大倍数的两个样品的传感特性。实验得到这两个样品的压力灵敏度分别为-92.76nm/MPa和-51.38nm/MPa，与单个法布里-珀罗干涉空气腔相比，它们的压力灵敏度分别放大了23.19和12.85倍。3、实验制作了一种结构非常简单紧凑的马赫-曾德干涉全光纤高温传感器。利用光纤切割和熔接技术将一小段悬芯微结构光纤与单模光纤进行错位熔接得到马赫-曾德光纤干涉仪，并利用ComsolMultiphysics软件和有限元法分析悬芯微结构光纤的模式特性，理论和实验结果表明相互干涉的两个模式是LP01纤芯模和like-LP01包层模。同时，实验研究了该悬芯微

5、结构光纤马赫-曾德干涉仪的温度和应变特性。实验结果表明悬芯微结构光纤的长度即干涉仪腔长对温度灵敏度的影响很小，最后使用115μm的样品进行高达1000C的高温实验，在20~200C的温度范围内，该光纤传感器的温度灵敏度为25.82Ipm/C，而在200~1000C范围内的温度灵敏度则为53.87pm/C。此外，实验测得其应变响应很弱，相应的应变-温度交叉灵敏度约为3×10-3C/με。4、利用800nm近红外飞秒激光在悬芯微结构光纤上刻写长周期光纤光栅。刻写得到悬芯微结构光纤的长周期光纤光栅周期和周期数分别为160μm和42，该光栅的共振波长为1489

6、.75nm，条纹对比度达到12.54dB，共振峰的3dB带宽约为6.42nm，另外，刻写光栅时引入的插入损耗约为1.5dB。最后，研究了基于该悬芯微结构光纤的长周期光纤光栅的应变、温度和折射率等传感特性，实验得到其应变灵敏度为-1.65pm/με，而其对温度和环境折射率的响应较不敏感。关键词：光纤传感器；法布里-珀罗光纤干涉仪；马赫-曾德光纤干涉仪；长周期光纤光栅；悬芯微结构光纤；IIAbstractOwingtotheuniqueadvantagesoflowpropagatingloss,lowcost,compactness,highsensitivitya

7、ndaccuracy,simultaneoussensingability,andimmunitytoelectromagneticinterference,fiber-opticsensorshavebecometheresearchhotspotinsensorfields.Fabry-Perotinterferometer,Mach-Zehnderinterferometerandlong-periodfibergratingarewidelyusedforfiber-opticsensors.Inthispaper,thesetwodifferentkin

8、dsofi