【摘要】：光纖器件具有比普通的電學(xué)器件更多的性能優(yōu)勢(shì),使得光纖器件愈來愈受到廣泛的重視。在環(huán)境健康的參數(shù)檢測(cè)中,光纖傳感器可以有效的探測(cè)到環(huán)境中的參數(shù)變化。光纖Fabry-Perot腔傳感器是通過雙光束干涉實(shí)現(xiàn)傳感應(yīng)用的,當(dāng)環(huán)境中的待測(cè)量發(fā)生變化時(shí),傳感器的腔長(zhǎng)或折射率會(huì)發(fā)生變化,這種變化會(huì)使得干涉光譜發(fā)生移動(dòng),通過解調(diào)這種變化就可以監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)。光纖Fabry-Perot腔傳感器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于封裝及價(jià)格低廉,而且其具有較高的靈敏度以及靈活的制備方式,使得其受到廣泛的關(guān)注。本文就光纖傳感器的靈敏度放大提出兩種新穎的基于Vernier效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度放大的方案。針對(duì)級(jí)聯(lián)腔Vernier傳感器制備復(fù)雜性以及放大倍率固定不變的問題,本文提出了一種雙光路分立式的Vernier效應(yīng)傳感器系統(tǒng)。這種方案主要通過耦合器的兩個(gè)光路分別輸入光纖傳感器的光譜和匹配腔的光譜,使得光纖傳感器與匹配腔的制備分隔開來。這種方案的Vernier效應(yīng)使得傳感器的制備成功率大幅提高,而且其放大倍率可以更換。光纖Vernier效應(yīng)傳感器的關(guān)鍵就在于放大倍率的提高,這對(duì)于傳感器的制備提出了很高的要求。本文提出了一種單腔實(shí)現(xiàn)的Vernier效應(yīng)傳感器,這種傳感器只需要一種輔助的匹配裝置以及光譜儀中的計(jì)算模塊就可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。通過記錄光纖傳感器的光譜,并通過輔助匹配裝置進(jìn)行匹配,當(dāng)調(diào)整至合適的放大光譜,此時(shí)就可以記錄下匹配腔的干涉光譜,從而通過光譜儀的減法功能實(shí)現(xiàn)相減型的Vernier放大效應(yīng)的光譜。光纖激光超聲換能器作為有源主動(dòng)超聲監(jiān)測(cè)中的激發(fā)源,在建筑橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中具有重要的地位。目前,對(duì)于光纖激光超聲換能器的研究都是針對(duì)單點(diǎn)超聲換能器結(jié)構(gòu)以及所使用的光聲材料,而對(duì)于多點(diǎn)均衡的超聲換能器的研究卻嚴(yán)重不足。多點(diǎn)均衡的超聲換能器的研究在于合理的光纖耦合機(jī)制將光纖纖芯中的光能量耦合出來,這樣多點(diǎn)的超聲換能器系統(tǒng)更具有工程應(yīng)用價(jià)值。本文通過使用光束傳輸法對(duì)光纖腰椎結(jié)構(gòu)、花生錐結(jié)構(gòu)以及單模-無芯-單模結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)傳輸進(jìn)行了分析。通過軟件仿真,這三種光纖微加工結(jié)構(gòu)均能有效的將光能量耦合到光纖包層之中,并且這些微結(jié)構(gòu)的耦合比與光纖微加工結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)制備相應(yīng)的光纖超聲換能器,并分別對(duì)這些超聲換能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)激發(fā)研究,結(jié)果表明,這些超聲換能器均能實(shí)現(xiàn)較為均衡的多點(diǎn)超聲激發(fā)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB552;TP212
【圖文】：

壓電陶瓷很難小型化以產(chǎn)生超聲信號(hào)。此外，是通過導(dǎo)線連接到電源，這可能會(huì)受到電磁干擾的影全光纖激光超聲換能器可以克服這些問題，因此由于不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而易于應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康測(cè)試和生沖激光激發(fā)的超聲信號(hào)具有較高的中心頻率。換能器國內(nèi)外發(fā)展情況聲轉(zhuǎn)換材料的光纖激光超聲換能器已經(jīng)被提出和研究環(huán)氧樹脂的混合物[58,59]、碳納米管和聚二甲基硅氧烷（聚硅氧烷酰亞胺[62]。然而，大多數(shù)已開發(fā)的光聲換能激勵(lì)[63,64]，典型的單點(diǎn)式的超聲換能器如圖 1-3 所示。結(jié)構(gòu)健康方面的應(yīng)用，這需要多點(diǎn)或分布式超聲激勵(lì)聲激勵(lì)的研究很少，并且在這方面的研究有限。目前主可控的方法，將光纖芯中的光能耦合到光纖側(cè)壁外的

2 4 2''(1 ' ' ...)1 'i it i iittA Att r e r e Arr e = + + + = 想的 Fabry-Perot 腔，其透射函數(shù)就可以表示為：* 2* 222( ')1 ( ') ' '( ')1 ( ') 2 ' 2 '(1 cos( ))t t tFPi ii i iI A A ttTI A A rr rr e rr ettrr rr rr = = =+ =+ + 反射面，則 r = r'，又由于損耗界面2 2r + t= 1，因此透射函數(shù)2 22 2 2 2 2(1 ) 1=(1 ) 4 sin ( / 2) 1 sin ( / 2)FPrTr r F = + +的條紋精細(xì)度2 2F = 4 R / (1 R ), ( R = r)。因此，F(xiàn)abry-Perot 腔為[28]：22sin ( / 2)1 sin ( / 2)FPFRF =+

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