光纖偏振器是一種基礎光纖無源器件。自上世紀80年代至今,很多高性能的光纖偏振器已經(jīng)被研制出來。然而傳統(tǒng)的光纖偏振器具有固定的偏振方向和消光比,它們通常作為輔助器件被用于光纖光學系統(tǒng),作為敏感器件的報道非常少見。設計一種偏振度和偏振方向連續(xù)可調的光纖偏振器,并把其作為敏感器件開展應用研究,具有重要意義。磁流體是一種新型功能材料,具有多種磁光特性,可實現(xiàn)對光偏振態(tài)的動態(tài)調控。本文基于磁流體設計可調光纖偏振器,并嘗試探索其應用領域。光纖馬赫-曾德干涉儀以光纖為傳輸介質搭建光路,結構簡單,操作靈活,被廣泛應用于傳感器設計。然而,其制作和應用仍然面臨許多障礙,例如光譜復雜、分辨率低、再現(xiàn)性差、操作難度高、信號采集系統(tǒng)昂貴等。為解決這些難題,本文設計一種基于寬帶光源的分波前光纖干涉儀,并把其應用于折射率測量。此外,本文還開發(fā)一種激光干涉儀的實時正交解調方案,用于相位解包裹,實現(xiàn)高精度距離測量。具體研究內容如下:1.基于磁流體與微納光纖的光纖偏振器設計。在微納光纖表面具有很強的三維軸對稱倏逝波,便于從各個方向對微納光纖中傳播的光波進行調制。本文將微納光纖浸入磁流體,并沿垂直于光纖方向施加調制磁場,設計一種在線可調光纖偏振器。偏振調制原理是基于施加磁場后磁流體的磁光二向色性,及磁性納米顆粒在微納光纖周圍的非圓對稱分布。該可調光纖偏振器可以實現(xiàn)對光偏振度和偏振方向的連續(xù)調制。研究發(fā)現(xiàn),較細的微納光纖雖然具有較大的插入損耗,但它能夠產(chǎn)生較大的光偏振度;施加某些強度的磁場后,光偏振度的增加會持續(xù)很長一段時間,然后達到磁飽和,單純定義磁流體的飽和磁場沒有意義;高濃度的磁流體,以及強磁場,具有強的光偏振調制能力,但是會引入更大的光功率損耗。當磁場方向從0~o變化到360~o時,光纖偏振調制器顯示出很好的方向響應。2.基于磁流體與D形光纖的光纖偏振器設計。由于微納光纖的脆弱性,導致其易碎、易斷,操作難度大,難以重復利用。相對于微納光纖,D形光纖更具魯棒性。在D形光纖拋光面上也有很強的倏逝波,便于對光的偏振態(tài)進行調制。本文將D形光纖浸入磁流體,并施加平行于光纖拋光表面的磁場,設計一種在線魯棒光纖偏振器。理論分析與實驗結果都證明磁流體的磁光二向色性對D形光纖的光偏振調制起關鍵作用。當磁流體膜被放置在外磁場中固化時,利用顯微鏡可以觀察到由磁性納米顆粒簇組成的規(guī)則線。在光偏振調制過程中,平行于磁場偏振的倏逝場比其正交分量具有更大的損耗。通過研究影響光偏振調制的因素發(fā)現(xiàn):具有寬拋光面的D形光纖的偏振易于調制;高濃度磁流體、大磁場具有強的能力來調制D形光纖偏振;此外還通過實驗獲得了光偏振調制的時間響應。3.基于磁流體與微納光纖的矢量磁場傳感器設計。把微納光纖浸入磁流體,基于光偏振態(tài)的檢測,設計一種矢量磁場傳感器。研究發(fā)現(xiàn),如果磁場強度較大,則光偏振調制的響應時間較長,不適合時變磁場的測量。只有當待測磁場強度滿足特定閾值條件時,光偏振調制才有較好的瞬態(tài)響應。在磁場強度滿足檢測閾值的條件下,磁滯對磁場傳感器的影響可以忽略。磁場傳感器對磁場方向具有良好的取向響應。但是需要指出,在磁場方向檢測過程中,存在180~o的不確定性。因為該磁場傳感器不能區(qū)分磁場方向。與磁場強度傳感不同,如果檢偏器旋轉速度足夠快,磁場方向的測量不受檢測閾值的限制。矢量磁場傳感器的信號分析系統(tǒng)由一個偏振分束器和兩個光電探測器組成,無需精密且昂貴的光譜分析設備,結構簡單,成本低廉。4.基于磁流體與微納光纖的免標記生物傳感器設計。蛋白質可以誘導功能化磁性納米顆粒的自組裝,形成較大的團簇。該團簇在基液中的移動速度小于單個磁性納米顆粒,當施加或去除外磁場時,磁流體對微納光纖的偏振調制響應時間將會變長。本文基于功能化磁流體對微納光纖偏振調制響應時間的變化,設計一種免標記光纖生物傳感器。以牛血清蛋白為例開展生物傳感實驗。偏振調制得到的最大偏振度p_(max),及最大和最小偏振度之差Δp,都隨著牛血清蛋白濃度的增加而單調減小�？梢酝ㄟ^檢測p_(max)和Δp來獲取牛血清蛋白的濃度。由于無需對微納光纖表面進行功能化,可極大降低實驗操作難度,簡化生物傳感過程。信號采集系統(tǒng)無需借助昂貴的光譜分析設備,成本低廉,響應速度快。5.分波前魯棒光纖馬赫-曾德干涉儀研究。在兩個對準的格林透鏡光纖準直器之間構建一個空腔;把一片PET膜插入該空腔,從第一個光纖準直器出射的高斯光束的波前被分成兩部分;第二個光纖準直器會聚該高斯光束進入單模光纖,構造出具有魯棒性的分波前光纖馬赫-曾德干涉儀。干涉儀的有效光譜寬度大于390nm,足以構建敏感光纖傳感器。COMSOL Multiphysics仿真和實驗結果表明,該馬赫-曾德干涉儀基于多光束干涉。由于插入損耗很小,當光譜儀的采樣精度為0.1nm時,仍然獲得了穩(wěn)定性、重復性很好的干涉條紋。從而確�；谠摳缮鎯x的光纖傳感器具有高分辨率。當鹽水的鹽度增加千分之一時,干涉儀條紋中,兩個相鄰的諧振波長分別移動-0.78nm、-0.81nm,顯示出高的靈敏度。該干涉儀可被廣泛用于檢測物理,化學或生物量。6.基于拐點檢索進行相位解包裹的激光測距儀研究。提出一種基于波長掃描干涉儀的實時距離測量方案�；诳偨Y得到的兩個波形變換規(guī)律,把干涉信號轉換成初步變換信號;然后利用不連續(xù)點判斷法、相鄰零點距離判斷法,這兩種互補的方法,檢索干涉信號的拐點;基于初步變換信號及檢索到的拐點,構造正交信號。用正交解調算法解調相移之后,根據(jù)中心波長及波長調制深度計算待測距離。當測量毫米量級的距離時,測量結果在一小時內波動約為微米量級。相比于PGC解調方案,本方案的測量復雜性和成本都極大降低,同時仍然可以獲得理想的測量結果。
【學位單位】：曲阜師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH744.3;TN253
【部分圖文】：

圖 1.1 側面鍍制金屬膜的 D 型光纖偏振器原理圖[6]。拋磨造成 D 型光纖的傳輸損耗，1983 年，日本的 T. Hosak光纖，芯的一側利用純石英作為包層，另一側利用硼硅酸鹽，硼硅酸鹽以比純石英快幾倍的速度被蝕刻掉。制作的兩nm 處，消光比分別為 22.2 dB、36.6 dB，插入損耗分別為 4高[7]。1987 年美國的 R. B. Dyott 等人，利用腐蝕法制作膜制作光纖偏振器，實現(xiàn) 39dB 的消光比，而插入損耗僅為in Ma與Shiao-Min Tseng將多根單模光纖粘在刻有 V形槽極小插入損耗的 D 型光纖的批量制作，然后利用液晶作到的消光比高于 60dB[9]。

圖 1.1 側面鍍制金屬膜的 D 型光纖偏振器原理圖[6]。免拋磨造成 D 型光纖的傳輸損耗，1983 年，日本的 T. Hosaka 等同芯光纖，芯的一側利用純石英作為包層，另一側利用硼硅酸鹽玻劑后，硼硅酸鹽以比純石英快幾倍的速度被蝕刻掉。制作的兩個290nm 處，消光比分別為 22.2 dB、36.6 dB，插入損耗分別為 4.2dB大提高[7]。1987 年美國的 R. B. Dyott 等人，利用腐蝕法制作 D 型制銦膜制作光纖偏振器，實現(xiàn) 39dB 的消光比，而插入損耗僅為 0.su-Pin Ma與Shiao-Min Tseng將多根單模光纖粘在刻有 V形槽的硅具有極小插入損耗的 D 型光纖的批量制作，然后利用液晶作為包驗得到的消光比高于 60dB[9]。

D 形光纖拋磨面覆蓋（a）單石墨烯/ PMMA 復合層；（b）雙石墨烯/ PMMA 復振器。（c）偏振器縱向結構；（d）偏振器橫截面[12]。指出的是，雖然前文所述這些基于 D 型光纖的偏振器，實現(xiàn)了很高的有一個共同特點，即消光比與起偏振方向都具有固定值，無法進行靈圖 1.4 基于液晶與側面拋磨光纖的光控衰減器[13]。 年暨南大學與臺灣的國立暨南大學合作，把具有光敏特性的液晶覆蓋，設計出一種光控衰減器[13]，如圖 1.4 所示。該衰減器對不同方向的
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本文編號：2893003