光子晶体光纤传感技术的研究.pdf

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1、光子晶体光纤传感技术的研究丁文慧2014年10月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540光子晶体光纤传感技术的研究作者姓名丁文慧学院名称光电学院指导教师江毅教授答辩委员会主席Prof.SridharKrishnaswamy申请学位工学博士学科专业电子科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月InvestigationofphotoniccrystalfibersensorCandidateName：WenhuiDingSchoolorDepartment:SchoolofOptoelectronicsFacultyMentor:Prof.YiJiangChair,Th

2、esisCommittee：Prof.SridharKrishnaswamyDegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor：ElectronicScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材

3、料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要光子晶体光纤具有传统光纤无法比拟的独特结构和导光机制，引起了学术界的广泛关注，其近年来已经成为光纤传感领域的一个研究热点。本文针对光子晶体光纤，利用其独特的导光机制和模式耦合理论，提出了三种不同结构的光子晶体光纤传感器，并研究了这三种光子晶体光纤传感器的应用情况。本文主要研究内容以及创新点如下：1、光子晶体光纤的基本特性研究：介绍了两种光子晶体光纤的基本情况，并研究了光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接参数和熔接损耗。全固光子带隙光纤易与普通单模光纤熔接，熔接损耗低至0.7dB

4、；无截止单模光纤可以通过熔接机手动模式实现与普通单模光纤的熔接，熔接损耗为1.3dB。2、分布式光子晶体光纤压力传感器：该传感器是由一段全固光子带隙光纤构成的，全固光子带隙光纤的末端镀有反射率为99%的反射膜。通过分析压力作用前后该传感器的工作原理，发现该传感器能够同时测量压力的大小和位置。实验结果表明，该传感器能够实现压力的分布式测量，对于8cm长的该传感器来说，压力点位置测量的误差为±0.1cm，谐振波长的振幅与压力大小成正比。3、微小型光子晶体光纤高温传感器：该传感器是由一段无截止单模光纤构成的，利用光纤打磨技术可以控制传感器的尺寸。通过分析温度对该传感器的影响发现，温度会引起该传感器

5、干涉光谱的移动，通过测量谐振波长可以实现温度的测量。该传感器可以采用两种不同的方案进行解调：第一种解调方案是基于双波长功率探测来实现的，通过分析两束不同波长的激光对温度的响应来实现温度的测量，可以测量的温度上限为500℃，测量速度仅受电处理单元的限制，从而实现高速的温度测量；第二种解调方案是基于线阵CCD微光谱仪来实现的，其通过分析干涉光谱对温度的响应来实现温度的测量，可以测量的温度上限为1200℃，测量分辨率为10℃，可以提高温度测量的精度。由于该传感器在几十到几百个微米的尺寸上可测量较高的温度，其可以实现小范围内的高温测量。通过分别利用该传感器与其他传感器测量电热箱、电阻丝和电烙铁的温度

6、，发现二者温度测量结果一致，从而验证了该传感器能够对温度进行准确地测量。通过将该传感器用于引信桥丝的温度测量中，可以看出该传感器能够有效的实现引信桥丝的温度测量，测量结果受到了相关单位的认可。I4、基于光子晶体光纤的温度补偿型Mach-Zehnder干涉仪：该干涉仪是由一段无截止单模光纤构成的。通过分析温度和应变对该干涉仪的影响可知，温度和应变增加会引起其白光光谱向两个相反的方向移动。基于该干涉仪的这一特点，提出该干涉仪可以利用适当的封装材料来实现温度补偿。通过实验验证了，该干涉仪的温度特性和应变响应。通过测试该干涉仪在不同封装材料下的效果发现，陶瓷封装的该干涉仪温度补偿效果最佳，温度稳定性

7、为1pm/℃。通过实验研究温度补偿效果与该干涉仪长度的关系，以陶瓷作为封装材料，对于不同长度的该干涉仪，封装后的温度稳定性并没有明显的变化，由此可见，陶瓷材料的封装效果不会随着干涉仪的长度发生变化。关键词：光子晶体光纤；光纤传感器；压力；温度；应变；温度补偿。IIAbstractPhotoniccrystalfiberhasattractedgreatinterestinthescientificduetot