基于电热式熔融拉锥方法制作光纤传感器

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目前,光纤器件得到了广泛应用,其中两个主要的应用方向分别是光纤传感和光纤通信。其中,锥形光纤器件在光纤传感领域中起到至关重要的作用。当前各国制作锥型光纤传感器的方法主要有电弧放电法,氢氧焰加热法,化学腐蚀法,物理打磨抛光法等。本文以类环形石墨加热子为电阻,通过电热式熔融拉锥法制备锥形光纤器件。使用控制程序调控熔融拉锥的相关参数如拉锥时间、拉锥速度比值、拉锥个数、平移距离等从而控制锥形光纤器件的锥腰粗细、变径距离、平坦区长度等参数,进而获得不同性能和用途的单锥、MZI、变径光纤、LPFG等光纤光栅传感器件。  首先,对热致变形法制作光纤器件的技术和本文使用的电热拉锥系统作了相关介绍。并通过调整不同的拉锥参数获得形貌不同的单锥、MZI、LPFG等光纤光栅传感器件,对不同拉锥参数制得的光纤器件进行形貌采集,并测量其传感特性进行对比,分析拉锥参数的不同对传感特性的影响。另外,对于多个周期的LPFG,本文记录了不同周期时的光谱传输情况,并进行了相应的传感特性测量。  其次,介绍了电热式熔融拉锥方法制备变径光纤的技术,分析其基本原理,并进行实际论证,采集不同参数的变径光纤形貌分析验证。基于熔融拉锥增强光纤传感器件的倏逝场强度以提高传感特性的原理,通过本文所述的光纤变径技术对单模-无芯-单模传感器进行变径实验。实验中测试了不同变径直径及不同变径长度的锥形单模-无芯-单模传感器(Tapered-single mode-no core-single mode:简称TSNS)的传感特性,测试结果表明光纤变径的尺寸越小,折射率灵敏度越高,对光谱的影响也越大。此外随着TSNS结构逐渐加长,干涉条纹加深,折射率灵敏度随之提高。当折射率为1.417时,最大折射率灵敏度可达1517.28nm/RIU。  最后,基于多芯光纤空间分割复用特性及全光纤MZI原理,提出了一种锥形多芯MZI,以上文所述变径光纤技术为基础,对单模-七芯-单模传感器整体进行了变径拉锥,并进行了相应的传感特性测量,实验结果表明该结构温度灵敏度由短波至长波呈现递减趋势,所选四个干涉峰温度灵敏度由短波至长波分别为40pm/℃、24pm/℃、19pm/℃和16pm/℃。另外,该结构各干涉峰应力和折射率灵敏度较为一致,且从应力灵敏度呈线性可以得出,各干涉峰应是由中间芯与边芯干涉形成。  本课题以热致变形原理为基础,通过电热式熔融拉锥方法,以类环形石墨为加热电阻拉制锥形光纤传感器,通过对拉锥工艺参数的优化调整,可以制得多种性能的耦合器、变径光纤、光纤光栅等器件,同时也可以通过锥形光纤的特性提高已有光纤传感器件的传感特性。
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