基于游标效应的级联光纤微腔传感器研究

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1、工学硕士学位论文基于游标效应的级联光纤微腔传感器研究葛伟哈尔滨理工大学2018年3月国内图书分类号：O437.2工学硕士学位论文基于游标效应的级联光纤微腔传感器研究硕士研究生：葛伟导师：杨玉强申请学位级别：工学硕士学科、专业：光学工程所在单位：理学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：O437.2DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringResearchonCascadedOpticalFiberMicro-CavitySensorBasedonVernier

2、EffectCandidate：GeWeiSupervisor：YangYuqiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：OpticsEngineeringDateofOralExamination：March,2018University：HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于游标效应的级联光纤微腔传感器研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期

3、间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《基于游标效应的级联光纤微腔传感器研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查

4、阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用授权书。不保密□。(请在以上相应方框内打√)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日基于游标效应的级联光纤微腔传感器研究摘要近几十年来，随着光纤传感技术的快速发展，光纤传感器因其体型小、精度高、易于集成等优势受到越来越多的关注。光纤F-P腔传感器是一种新型的传感器，与传统的电学传感器相比，它具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、分辨率高等优点，被广泛用于温度、湿度、折射率、应变等外界环境参量的测量

5、。游标效应来源于游标卡尺，利用主尺与游标的微小比例尺差异来提高长度的测量灵敏度。近年来，游标效应被研究者用在光纤干涉计上以提高光纤传感器的测量灵敏度。本文采用普通单模光纤设计并制备了分离的光纤F-P双腔，通过级联的方式实现了游标效应，并将其应用于温度和折射率的测量。具体研究内容如下：基于级联光纤F-P双腔游标效应的温度传感器研究。将一光纤F-P腔填充水，使其与另一光纤空气F-P腔级联，制备了一种可实现游标效应的级联双腔温度传感器。该传感器中光纤空气腔被用作参考F-P腔，光纤充水腔被用作传感F-P腔，其腔长分别为270μm和220μm，对应的自由光谱范

6、围分别为4.4nm和4.1nm，以保证双腔级联后能够产生游标效应。由于水相对于石英具有非常高的热光系数，因此该传感器对温度具有非常高的灵敏度。实验结果表明，当温度在40℃~60℃范围内变化时，双腔干涉谱包络的平移量随温度呈线性变化，其温度传感灵敏度为-2.080nm/℃，约为单个传感F-P腔的10.9倍。该实验结果与仿真结果略有差异。温度传感灵敏度的仿真结果为-2.00nm/℃，实验结果比其高0.08nm/℃。这是由于采用拟合的方式确定干涉谱包络的峰值位置与实际位置略有误差造成的。基于级联光纤F-P双腔游标效应的折射率传感器研究。将开放式光纤F-P腔

7、与光纤空气F-P腔级联，制备了一种可实现游标效应的液体折射率传感器。该传感器中光纤空气腔被用作参考F-P腔，开放式光纤微腔被用作传感F-P腔，其腔长分别为284μm和201μm，对应的自由光谱范围分别为4.23nm和4.48nm，以保证双腔级联后能够产生游标效应。由于被测液体的热光系数远大于石英，因此该传感器对折射率具有非常高的灵敏度。实验中，我们首先制备了不同折射率的蔗糖溶液，并将其依次填充到开放式光纤F-P腔内，获得了不同折射率蔗糖溶液的双腔级联干涉谱，实验结果表明，当蔗糖标准液浓度在10%~27%范围内变化时，双腔干涉谱包络的平移量随折射率呈线

8、性变化，其折射率传感灵I敏度为-23904.0nm/RIU，约为单个传感F-P腔的22.7倍。该实验结果与仿