D型光纤干涉器件传感研究

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相较于普通光纤,D型光纤具有两个优点,首先,D型光纤纤芯距离外界环境更近,对外界环境的变化更加敏感,其次,D型光纤的侧面为一个平面,便于激光微加工系统的聚焦和刻蚀。基于D型光纤的这些优点,对D型光纤干涉器件的传感特性进行了研究,研究制作了开放式的法珀压力传感器和串联型分布式折射率传感器。本文研究的主要内容如下:(1)设计制作了一种D型光纤珐珀压力传感器,该压力传感器由一个开放式珐珀腔构成,其传感原理主要基于折射率会随压力的改变而发生变化,传感器具有较高的灵敏度,压力与温度的交叉敏感性极低,并且能够实现对动态压力的快速响应。该D型光纤开放式珐珀压力传感器采用研磨抛光工艺和157nm激光微加工工艺制作而成,将其封装后进行了静态气压与动态气压的性能测试,并同时与传统封闭式光纤压力传感器进行了对比试验。实验结果表明该压力传感器的灵敏度高达1.6749rad/MPa,远高于封闭式珐珀压力传感器的灵敏度,线性度约为99.83%,具有良好的稳定性以及温度不敏感特性,并且传感器具有良好的动态响应特性,其对脉冲压力的响应时间达到了0.88ms。(2)制作了一种D型光纤珐珀折射率传感器,该折射率传感器的基本结构为一个法珀腔,并且珐珀腔的腔长达到厘米量级,同时基于矢量网络分析仪搭建了一套微波测试系统,实现了在微波频域上,对该D型光纤珐珀折射率传感器进行性能测试。通过实验测试了折射率传感器的灵敏度约为5.08MHz/RIU,并具有良好的线性度、稳定性及重复性。将多个这种D型光纤珐珀折射率传感器进行串联连接,在该微波测试系统上能够对不同传感器进行分辨,并能够实现其中任意一个传感器的灵敏度等性能进行测量,从而实现了折射率传感器的串联分布式测量。(3)提出了一种D型光纤周期性结构,结构由纤芯和空气腔的周期性分布构成,由于纤芯和空气腔的高折射率差,在分界面上会形成较高的反射,因此可以极大地减少传统光栅的周期数,并且仍能获得较高的反射峰。使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对D型光纤周期性结构进行模拟仿真,并通过改变空气腔部分的折射率、周期性结构的各参数研究分析其光谱的变化情况。
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