光纤光栅折射率传感器的研究

论文摘要

随着光通信的发展,光纤光栅传感器以其在抗电磁干扰、耐腐蚀、轻巧、灵敏度高以及便于复用、便于构成网络等方面独一无二的优势脱颖而出。光纤光栅传感器除了以上优点外,还有其最重要的优点就是它的传感信号为波长调制。光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。到目前为止,光纤光栅传感器的测量能力,如温度,微振动、电压等物理量的测量,已被广泛研究。然而,对折射率变化进行检测的光纤光栅传感器的应用没有得到充分开发。在生物和化学应用中,折射率传感具有重要的应用价值。因为许多物质的结构与浓度等参数,可以通过测量折射率得到检测。本论文设计并研究了一种光纤光栅F-P腔折射率传感器。主要包括以下几个方面的内容:第一部分介绍传感器技术,主要概述光纤光栅传感器的发展,光纤光栅传感器的特点及其光纤光栅传感器在诸多领域的应用。第二部分首先介绍了光纤及光纤光栅的结构。根据折射率沿光纤光栅轴向分布的形式,分析了光纤光栅的分类及不同应用。然后研究了几种比较实用的光纤光栅制作方法。最后应用耦合模理论推导了光纤Bragg光栅的特性,并且分析了光纤Bragg光栅各个参数对光栅反射谱的影响。第三部分光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器。介绍了光纤Bragg光栅传感机理,分析了光纤光栅传感器实验应用及常用解调技术的原理及优缺点。第四部分提出了一种光纤光栅F-P腔折射率传感装置,详细推导了其传感原理,阐明了设计方法。并研究了这种光纤光栅的F-P腔的参数对传感器性能的影响。这种装置最大的特点在于对折射率的测量灵敏度高,这为我们进一步优化设计光纤光栅F-P腔折射率传感装置以应用于高精度测量领域提供了重要的依据。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 传感器技术
• 1.2 光纤光栅传感技术
• 1.2.1 光纤光栅传感技术的特点
• 1.2.2 光纤光栅传感技术的应用
• 1.3 本论文主要内容
• 第二章 光纤光栅的分类、制作及其耦合模理论
• 2.1 光纤光栅的种类
• 2.1.1 均匀光纤Bragg光栅
• 2.1.2 均匀长周期光纤光栅
• 2.1.3 chirped光纤光栅
• 2.1.4 切趾光纤光栅
• 2.2 光纤光栅的制作
• 2.2.1 全息曝光法
• 2.2.2 相位掩模法
• 2.3 光纤光栅的耦合模理论
• 2.3.1 模式耦合理论
• 2.3.2 光纤光栅结构
• 2.3.3 光纤Bragg光栅耦合模方程及传输矩阵
• 2.4 光纤Bragg光栅的特性分析
• 2.4.1 光纤Bragg光栅的光谱特性
• 2.4.2 光纤Bragg光栅各个参数对光栅反射率的影响
• 第三章 光纤光栅传感器机理及解调技术
• 3.1 光纤Bragg光栅传感机理
• 3.2 光纤光栅传感器的解调技术
• 3.2.1 光谱仪检测法
• 3.2.2 可调谐法布里—玻罗腔法
• 3.2.3 边沿滤波解调
• 3.2.4 非平衡马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪解调法
• 3.2.5 可调谐激光器波长匹配解调法
• 第四章 光纤光栅折射率传感器的设计和研究
• 4.1 传统光纤Bragg光栅F-P腔的光谱特性分析
• 4.2 光纤光栅F-P腔的设计
• 4.3 光纤光栅F-P腔的光谱特性分析
• 4.4 光纤光栅F-P腔传感器系统结构设计
• 4.5 光纤光栅F-P腔传感器数据分析处理
• 4.6 光纤光栅F-P腔的参数对传感器性能的影响
• F-P与光纤Bragg光栅长度L_B1对传感器反射谱内谐振谱线数M的影响'>4.6.1 光纤光栅F-P腔等效腔长L_F-P与光纤Bragg光栅长度L_B1对传感器反射谱内谐振谱线数M的影响
• 4.6.2 光纤Bragg光栅的参数对传感器响应区间的影响
• a 对传感器分辨率的影响'>4.6.3 待测物体放置区的长度 L_a对传感器分辨率的影响
• 4.7 折射率传感器分辨率的分析
• 4.8 光纤光栅F-P腔传感器研究总结与展望
• 第五章 论文总结
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢
• 中文摘要
• 英文摘要