局域結構控制在線型光纖干涉儀研制與傳感應用.pdf

1、通過光纖局域結構的調控實現光纖中光傳輸控制，進而在單根光纖中實現各種干涉、形成具有特異性能的在線型光纖干涉儀，這是許多光纖功能器件實現的重要途徑。本文以獲取結構靈巧、尺寸小、性能穩(wěn)定、制作成本低、使用便捷的高敏在線型光纖纖干涉儀為目標，以光纖干涉儀結構更新為突破口，針對在線型光纖干涉儀的設計、制作及傳感性能進行研究。本文主要研究工作及其成果如下:
　　首先，通過簡介光纖干涉儀發(fā)展明晰其分類并規(guī)范其名稱，界定“在線型”的具體指向，強

2、調了光纖干涉儀結構對其性能的重要影響。以闡述各種光纖局域結構的控制技術，為本文光纖局域結構控制的實現做鋪墊。在介紹光纖模式特性及有效折射率概念和計算方法的基礎上，描述了光纖區(qū)域結構突變的波導耦合特性，為實現光束傳輸控制并形成光纖干涉儀提供理論指導。在總結各種在線型光纖干涉儀理論的基礎上，借鑒干涉的空間頻譜分析技術分析光纖干涉儀的光程差，為深入理解和分析局域結構控制在線型光纖干涉儀的形成機理、傳感性能提供方法支持。
　　然后，基于在

3、線型光纖模式馬赫-曾德干涉儀(IL-FMMZI)基本原理，提出了基于熔凸雙錐對(UFBTP)的IL-FMMZI高敏折射率、彎曲傳感器。采用UFBTP干涉區(qū)寫入光纖布拉格光柵(FBG)方法，實現了折射率-溫度和彎曲-溫度的同時測量，有效解決了溫度交叉敏感問題。為進一步提高UFBTP的折射率靈敏度，提出利用火焰掃描拉錐法和氫氟酸腐蝕成錐法增強UFBTP的倏逝場強度。在1.33～1.41折射率范圍，UFBTP實驗靈敏度可達-48nm/RIU;

4、彎曲靈敏在特定曲率范圍內，達到了-19nm/m-1。干涉區(qū)成錐可使UFBTP的折射率響應靈敏度提升2倍以上。
　　進而，提出并實現了微光纖(MF)與常規(guī)單模光纖(SMF)的突變熔接，MF最小直徑可達16μm。通過加工突變的光纖結構，實現了開腔在線型非本征光纖法-珀干涉儀(Il-EFFPI)和端頭式在線型本征光纖法-珀干涉儀(IL-IFFPI)，并對它們的光譜及傳感特性進行了研究。研究表明，MF熔接的開腔IL-EFFPI的應力響應特

5、性取決與MF的直徑和長度，而其折射率響應則與MF的參數無關;對于腔長為～21μm、MF直徑為44μm的IL-EFFPI，其折射率靈敏度在1.33附近為1331nm/RIU，應力靈敏度可達167.4nm/N。MF熔接的端頭式IL-IFFPI的結構參數調整空間大，適合于小空間環(huán)境參數探測;對于腔長為～136μm的IL-IFFPI，其在25℃～1000℃溫度范圍內靈敏度達到15.3pm/℃，且線性響應良好。
　　最后，采用MF與SMF的

6、突變熔接方法，實現了兩類在線型光纖MZI，即在線型光纖多模MZI(IL-FMMZI)和在線型光纖微腔MZI(IL-FCMZI)，并進行相應折射率和溫度的傳感特性研究。對于腔長為～10mm、MF直徑為～47μm的IL-FMMZI，其折射率靈敏度在1.33～1.38之間達到436.58nm/RIU。對于腔長為～688μm的IL-FCMZI，其折射率靈敏度在1.4444～1.4462區(qū)間高達-126056nm/RIU，溫度靈敏度為～31 pm