马赫—泽德光纤干涉仪构成的光纤传感器的研究

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1、分类号TN253学号2015X08030002学校代码10513密级硕士学位论文(学术学位)马赫-泽德光纤干涉仪构成的光纤传感器的研究作者姓名：胡义慧一级学科：光学工程二级学科：光电子器件指导教师：江超教授答辩日期：2018年5月19日AThesisSubmittedinFulfillmentofRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceinOpticalEngineeringStudyofMach-ZehnderOpticalFiberInterferomet

2、ricComposedoftheInstrumentOpticalFiberSensorCandidate:YihuiHuMajor:OpticalEngineeringSupervisor:Prof.ChaoJiangHubeiNormalUniversityHuangshi435002,P.R.ChinaMay,2018摘要在20世纪70年代，随着光纤技术的快速发展，光纤传感技术也得到飞速的发展。光纤传感技术作为一种新型的传感技术，已经被大量应用在光电技术产业中。光纤传感器可以测量温度、折射率、应

3、力、压力、气压等多种物理量，它与传统的电传感器相比具有抗电磁干扰、损耗低、精度高等优点。本文设计了四种不同结构的马赫-泽德光纤干涉仪(Mach–Zehnderinterferometer，简称MZI)。利用该干涉仪构成不同功能的光纤传感器，并对传感器的结构，传感机理，特性等进行了理论分析和实验研究，主要工作包括：1、为了实现高精度温度和应力测量，利用飞秒激光微加工技术，设计并制作了一款高灵敏度光纤传感器。理论分析了利用该结构实现温度和应力测量的工作机制。利用该结构进行了温度与应力传感实验。实验结果表明

4、环境温度传感灵敏度为54.29pm/℃，轴向应力传感灵敏度为1.1pm/με。这种光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高的特点。2、为了实现温度和应力的高精度同时测量，利用波长800nm飞秒激光和光纤熔融拉锥机制作一个MZI，利用它进行温度和应力同时测量。理论分析了该传感器实现温度和应力同时测量的原理，利用该结构进行了温度与应力传感实验。实验结果表明：利用传感器透射谱第一个谐振峰(dip1)进行测量获得的灵敏度为40.4pm/℃和0.32pm/με；利用传感器透射谱第二个谐振峰(dip2)进行测量获

5、得的灵敏度为52.0pm/℃和0.38pm/με。这种光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高的特点。3、利用多芯光纤与光纤错位熔接技术，制作了一种全光纤MZI光纤传感器实现了对温度和折射率的同时测量。实验结果表明，随着环境温度的变化，传感器透射谱峰值波长线性漂移，灵敏度达到54.238pm/℃，而透射谱峰值强度随温度变化不敏感；随着环境折射率的变化，传感器透射谱峰值强度线性变化，灵敏度达到10.704dB/RIU(RIU为折射率单位)，而透射谱峰值波长随环境折射率变化不敏感。在温度与折射率测量时分别

6、利用波长调制法与强度调制法，因此它们同时测量不存在交叉敏感。4、利用塑料包层光纤与光纤熔接技术，制作一种全光纤MZI光纤传感器实现了对温度和折射率的同时测量。简单分析了传感器实现折射率和温度测量的基I本原理。实验结果表明：传感器透射光谱第一个谐振峰（dip1）测量得到的温度和折射率的灵敏度分别为12.0pm/℃和39.18nm/RI，传感器透射光谱第二个谐振峰（dip2）测量获得的温度和折射率灵敏度分别为13.3pm/℃和52.56nm/RI。本论文提出的四种MZI光纤传感器具有易于制作，灵敏度高，结

7、构简单等优点，具有很好的应用前景。关键词：马赫-泽德光纤干涉仪；光纤传感；飞秒激光微制造技术；光纤熔接技术；多芯光纤；塑料包层光纤IIAbstractWiththerapiddevelopmentofopticalfibertechnology,opticalfibersensingtechnologyhasdevelopedrapidlyin1970s.Asanewtypeofsensingtechnology,fibersensingtechnologyhasbeenwidelyusedinthe

8、optoelectronictechnologyindustry.Avarietyofphysicalquantitiescanbemeasuredwithopticalfibersensor,suchastemperature,refractiveindex,stress,pressureandsoon.Comparedwiththetraditionalelectricsensor,opticalfibersensorshavetheadvantag