【摘要】：針對現(xiàn)代越來越復(fù)雜的環(huán)境探測需求,我們需要全面的、多手段的復(fù)合探測。繼磁場、聲場后,電場監(jiān)測變得越來越重要。光纖微弱電場傳感器是最具有應(yīng)用潛力的一類微弱電場傳感器,但對它的研究開展的較少。為了探究哪種測量方法最適合微弱電場的探測,本文針對三種全光纖微弱電場傳感器開展了研究,包括法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉腔微弱電場傳感器、光柵光纖電場傳感器和基于石墨烯的D型電場傳感器,對這三種電場傳感器靈敏度和制作難度進行了比較。本文的主要內(nèi)容如下:1.首先仿真分析了F-P腔兩反射面反射率不同時的光譜特性。結(jié)果表明:高反射率時透射光譜具有較高的精細度,低反射率時反射光譜具有較高的精細度。當(dāng)F-P腔一端低反時,隨著另一端反射率的增加,條紋的明暗對比度先增后減。當(dāng)F-P腔一端高反時,隨著另一端反射率的增加,條紋的明暗對比度隨之增加,暗條紋處的銳度相當(dāng)高,但在亮條紋處不利于確定其對應(yīng)的波長。2.提出一種兩端面反射率不同的F-P腔結(jié)構(gòu)方案,開展了它的設(shè)計與制作并搭建了實驗系統(tǒng),利用條紋計數(shù)法進行F-P腔相位解調(diào)。實驗結(jié)果表明:電壓每升高1V腔長約改變61.14nm,電壓每降低1V腔長約改變57.14nm。3.采用了壓電陶瓷,對基于光纖光柵的微弱電場傳感器開展了研究。推導(dǎo)了光纖光柵的傳輸耦合模方程,運用傳輸矩陣法建立了光柵傳輸理論模型,模擬仿真了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光柵對應(yīng)的反射光譜。實驗結(jié)果表明,該傳感器的電壓靈敏度達到5.27pm/V。4.提出了一種D型光纖石墨烯相結(jié)合的微弱傳感器的結(jié)構(gòu),開展了外加電場和輸出光強的關(guān)系的研究,驗證了該結(jié)構(gòu)測量微弱電場的可行性。實驗結(jié)果表明,石墨烯對光的吸收先逐漸減小,然后發(fā)生陡降,最后慢慢增大直至趨于穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM15;TP212
【圖文】：

折射率與其所受縱向電壓的一一對應(yīng)關(guān)系。通過光譜儀可以檢測到輸出光光強和波長的關(guān)系，就能間接地測量出外部電壓的大小。圖1-5 基于相移光纖光柵的D 型光纖電場傳感器結(jié)構(gòu)圖

電子科技大學(xué)碩士論文4圖1-6 基于相移光纖光柵的D 型光纖電場傳感器橫截面示意圖波長型光纖電場傳感器的優(yōu)點有：傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、制作光柵的工藝成熟等等。波長型光纖電場傳感器的缺點有：對波長漂移的檢測需要運用較昂貴的儀器、光源需要大功率的寬帶光源等等。1.2.3 相位型光纖電場傳感器如圖 1-7 所示，相位型光纖電場傳感器主要是改變電場傳感部分的光程差，進而改變相位，再利用干涉產(chǎn)生的相位和光強變化來進行電場的測量[39]。光源探測器反射鏡傳感光纖參考光纖電場圖1-7 相位型光纖電場傳感器示意圖以邁克爾遜（Michelson）結(jié)構(gòu)的設(shè)計舉例。如圖1-8 所示，它的基本原理是將光纖粘貼在壓電陶瓷上面，當(dāng)所施加的電場發(fā)生變化時，壓電陶瓷隨之膨脹和收縮，從而改變光纖的長度，產(chǎn)生光相位延遲。被2 個反射鏡反射后，信號臂和參考臂中的光信號經(jīng)過環(huán)形器產(chǎn)生干涉[8]。最后通過一些檢測手段即可檢測出光強度的差異,從而測得待測電場的大小。

第一章 緒論5圖1-8 干涉型光纖微弱電場傳感系統(tǒng)原理圖相位型光纖電場傳感器的優(yōu)點有：高靈敏度、高分辨率、寬動態(tài)范圍、相當(dāng)快的響應(yīng)速度等等。相位型光纖電場傳感器的缺點有：易受外界環(huán)境的影響，有串音等等。1.2.4 偏振型光纖電場傳感器偏振型光纖電場傳感器主要利用電光效應(yīng)和磁致旋光效應(yīng)（Faraday 效應(yīng)）進行傳感測量。外加電場的改變引起光的偏振態(tài)的改變。電光效應(yīng)包括 Pockels 效應(yīng)和 Kerr效應(yīng)。Pockels 效應(yīng)： n E(1-1)Kerr 效應(yīng)[9]可以表示為：2 n E(1-2)在式(1-1)和(1-2)中， n代表折射率改變量，E 為電場強度， 和 都是常數(shù)。當(dāng)光通過電光晶體，由雙折射引起的的光程差 l為： l n l(1-3)對應(yīng)的相位差 為： 2 l2 n l (1-4)把式(1-1)、(1-2)代入式(1-4)，得：

【參考文獻】

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本文編號：2746006