【摘要】：近年來(lái),光纖傳感技術(shù)(FST)得到了日新月異的發(fā)展,不同類型的光纖傳感器被廣泛應(yīng)用到生活生產(chǎn)中。對(duì)光纖傳感器而言,器件靈敏度是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),拉錐光纖由于其光場(chǎng)被釋放易受外界變量調(diào)制,因此容易得到較高的靈敏度。此外,還有另外一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),就是其穩(wěn)定性和可靠性,干涉型光纖傳感器作為一種波長(zhǎng)解調(diào)型器件,具有穩(wěn)定性、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)該類傳感器又分為透射型和反射型兩類,而且各有優(yōu)缺點(diǎn)。在傳感器加工技術(shù)方面,伴隨著飛秒激光器的商業(yè)化,飛秒激光微加工(FLM)技術(shù)優(yōu)勢(shì)凸顯,成為當(dāng)下光纖傳感器加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。綜上所述,本學(xué)位論文主要研究方向?yàn)樵诶F光纖中使用FLM技術(shù)制備干涉型光纖傳感器,包括透射式的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)和透反射兼?zhèn)涞幕诓祭窆饫w光柵對(duì)的法布里-珀羅干涉儀(FPI),具體地:第一章為緒論部分,文章簡(jiǎn)單概括了光纖的發(fā)展歷程及制備方法以及FST的發(fā)展應(yīng)用;并介紹了拉錐光纖傳感器的制備方法;然后綜述了兩種光纖干涉儀的制備方法;最后概括了本論文的創(chuàng)新點(diǎn)。第二章中主要介紹了飛秒激光的相關(guān)理論和技術(shù)。通過(guò)理論公式、仿真研究等介紹了一些關(guān)鍵的飛秒激光技術(shù)。然后通過(guò)文獻(xiàn)綜述了目前研究人員對(duì)飛秒激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理。最后,介紹了本論文中使用的一套飛秒激光微加工系統(tǒng),及其在光纖加工中的應(yīng)用。第三章中,首先介紹了MZI的干涉原理,并通過(guò)公式和仿真研究了MZI的傳感特性;然后介紹了使用商業(yè)熔接機(jī)電弧放電制備拉錐光纖的方法;最后,實(shí)驗(yàn)制備了一種新型結(jié)構(gòu)的光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x,并將其用于酒精濃度傳感實(shí)驗(yàn),測(cè)得了器件光譜隨酒精濃度變化的光譜。再通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了其傳感應(yīng)用特性,分析中發(fā)現(xiàn)在某一濃度范圍內(nèi),光譜變化具有良好的線性關(guān)系,通過(guò)線性擬合得到其在這一范圍內(nèi)的靈敏度達(dá)到28nm/vol,與現(xiàn)有文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的靈敏度相比有一定的提高。此外該器件不僅可應(yīng)用于酒精濃度傳感,還可以用于其他溶液的濃度測(cè)試,因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了不同濃度酒精的折射率,然后將器件的靈敏度轉(zhuǎn)換為折射率在1.345~1.365范圍的靈敏度。第四章中,介紹了關(guān)于FBG的理論研究,并通過(guò)公式和仿真研究了FBG的傳感特性;實(shí)驗(yàn)中使用飛秒激光微加工系統(tǒng)研究了逐點(diǎn)法和逐線法FBG刻寫(xiě)技術(shù);實(shí)驗(yàn)中利用逐線法制備了一種基于光纖布拉格光柵的FPI,其本質(zhì)是一種PS-FBG,并將其應(yīng)用于軸向應(yīng)變傳感,測(cè)得其最高軸向應(yīng)變響應(yīng)靈敏度達(dá)到普通PS-FBG的4.5倍。最后通過(guò)Solid Works對(duì)拉錐光纖建模分析了當(dāng)軸向應(yīng)變施加于拉錐光纖上時(shí)的應(yīng)力分布情況,并使用幾何建模提出使用等效柱體研究該傳感器的靈敏度與最小錐區(qū)半徑之間的關(guān)系,最后得到了兩者之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。文章最后對(duì)本論文進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)本研究領(lǐng)域做了一些展望。從全文來(lái)看,本論文的創(chuàng)新點(diǎn)包括:1)提出了一種新型結(jié)構(gòu)、制備方法簡(jiǎn)單、高靈敏度的酒精濃度傳感器,與已報(bào)道同類型器件最高靈敏度相比,該傳感器的靈敏度提高了近50%;2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,研究了飛秒激光逐點(diǎn)法和逐線法刻寫(xiě)FBG工藝,并成功在單模光纖上刻寫(xiě)了集成光柵和傾斜光柵,并在保偏光纖上刻寫(xiě)了FBG;3)通過(guò)飛秒激光逐線法制備了一種基于光纖光柵對(duì)和拉錐光纖的FPI的軸向應(yīng)變傳感器,數(shù)據(jù)分析表明實(shí)驗(yàn)制得的傳感器最高靈敏度是未拉錐器件的4.6倍,通過(guò)理論仿真和建模分析了該傳感器的靈敏度與光纖尺寸的關(guān)系,并提出了進(jìn)一步提高靈敏度的方法。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212;TN249
【圖文】：

圖 3-4 部分 M-Z 光纖傳感器顯微圖片，(a)錯(cuò)位熔接[68]；(b)CO2激光熱熔[46]；(c)飛秒激光燒蝕[47]；(d)熔接機(jī)熔接得到花生米結(jié)構(gòu)[48]；(e)內(nèi)置空腔拉錐[49]；(f)熔接機(jī)拉錐結(jié)構(gòu)[42]；要指出的是，上述方法是比較常規(guī)的一些加工方法，還有其他一些特殊的制備光纖 M-Z 傳感器的方法，這里不再列舉。總的來(lái)說(shuō)，所有的加工方法都是在光纖上造成結(jié)構(gòu)改變，使得原本沿纖芯軸向傳輸?shù)墓夥殖蓛墒嬖诠獬滩畹墓狻?2) 光纖布拉格光柵法布里-珀羅干涉儀制備方法光纖布拉格光柵法布里-珀羅干涉儀是在兩段 FBG 中間引入一段相移區(qū)域，也就相當(dāng)于是一種相移光纖布拉格光柵(PS-FBG)。自 1990 年第一個(gè) PS-FBG 被成功制備以來(lái)，許多學(xué)者利用了上述的不同制備方法都成功制備了 PS-FBG。如使用相位掩膜刻寫(xiě)時(shí)，可以通過(guò)遮擋的方式在一個(gè)普通 FBG 中間形成一個(gè)無(wú)調(diào)制區(qū)域[50, 51]，但很顯然這樣的方法靈活性不夠高，F(xiàn)BG 的性質(zhì)被掩膜版的規(guī)格所限制；還有學(xué)者使用二次全息曝光的方法和飛秒激光重疊方法形成摩爾條紋調(diào)制區(qū)域得到相移[52]，但這類方法操作比較復(fù)雜，對(duì)光束質(zhì)量和光路要求較高；

振動(dòng)模式的頻率為ω ，那么可以用下式表示任意一個(gè)單縱模光場(chǎng)：cos[ (2-3)因此可以得到鎖模激光器的輸出光場(chǎng)為： cos[ (2-4)通過(guò)三角函數(shù)變換和簡(jiǎn)單運(yùn)算可以得到：cossinsin[(2-5)A t Esinsin[(2-6)如圖 2-1 所示，是借助 MATLAB 軟件仿真的自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光輸出和鎖模激光輸出的對(duì)比。

中產(chǎn)生的飛秒激光脈沖具有脈寬小、重復(fù)頻率高、單果此脈沖經(jīng)過(guò)放大器放大后將獲得足以破壞器件的啾脈沖放大系統(tǒng)(CPA)的飛秒激光器的能量提取效率0%，為了得到高的能量提取效率，需要提高種子光的，提高能流密度的同時(shí)保證光路系統(tǒng)中器件不受損傷進(jìn)行展寬，通常要將其展寬到百皮秒量級(jí)[56]。系統(tǒng)多種多樣，基本上可分為三類，包括傳統(tǒng)的 4統(tǒng)和無(wú)像差展寬系統(tǒng)。由于系統(tǒng)像差會(huì)帶來(lái)高階色球面鏡和透鏡會(huì)引入球差和色差，因此無(wú)像差展寬器2 所示為歐符納展寬系統(tǒng)示意圖，圖中包括一個(gè)光柵1和一個(gè)凸面鏡 M2。其中 M2的曲率半徑是 M1的一柵 G1位于 M1的球心處，光柵 G2放置在 M1的焦點(diǎn)的功能。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2755204