基于高双折射光子晶体光纤模间干涉的光学电压互感器研究

论文摘要

光子晶体光纤(PCF)是一种新型特种光纤,其包层排列有周期性或随机性分布的微米量级的空气孔,使PCF在设计和制备上具有了更大的灵活性。通过在纤芯附近引入应力元,或者调整空气孔的尺寸和排列方式,均可以获得具有高双折射特性的PCF。与常规保偏光纤(PMF)相比较,高双折射PCF具有灵敏度更高、温度稳定性更好、保偏性能更好等优点,可广泛应用于光纤陀螺、光纤偏振干涉仪等光纤传感领域。本论文探索研究高双折射PCF的模间干涉特性及其在光学电压互感器中的应用,为光学电流/电压互感器的实现提供一种新的思路。本文详细介绍了高双折射PCF中双折射产生的原理及其在传感方面的应用现状,以及国内外光学电压互感器的基本工作原理及其研究发展现状,在此基础上,分析了高双折射PCF的模间干涉特性,并对基于高双折射PCF模间干涉的光学电压互感器进行了探索性研究。本文的主要研究内容如下:第一,采用有限元方法对双孔PCF、类矩形PCF以及六角芯PCF这三种不同结构的几何型高双折射PCF的模式特性进行分析,探索适合用于电压互感器的高双折射PCF。分析了三种PCF的模式双折射随波长的变化关系,以及各阶模式的截止波长,研究高双折射PCF的双模工作波长范围,并且以双孔PCF为例,讨论了光纤截面参数的变化对于模式双折射和模场半径的影响。第二,对椭圆芯PMF、双孔PCF和类矩形PCF的模间干涉特性进行了仿真研究,比较分析了这三种光纤的模式截止特性及其模间干涉灵敏度、干涉场的模场特性随波长的变化规律,证明高双折射PCF更适于基于模间干涉的光学电压互感器。第三,研究了双孔PCF的结构参数对模间干涉特性的影响,分析了不同结构参数双孔PCF的双模传输波长范围以及模间干涉灵敏度随波长的变化规律,探索研究了适合用于模间干涉的双孔PCF的结构参数。第四,对基于高双折射PCF模间干涉的光学电压互感器基本传感性能进行了实验研究和分析。通过实验观测双孔PCF的模间干涉现象,分别采用直接拉伸调制光纤长度和通过压电陶瓷调制光纤长度两种实验方法对双孔PCF模间干涉灵敏度进行了测量。对利用压电陶瓷和双孔PCF实现的基于模间干涉原理和逆压电效应的低电压传感系统进行了实验研究,对利用石英晶体逆压电效应和双孔PCF模间干涉原理的高压互感器进行了可行性实验研究,并对实验结果进行了分析和讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 常规保偏光纤概述
• 1.1.1 保偏光纤的分类
• 1.1.2 保偏光纤的应用
• 1.2 高双折射光子晶体光纤的研究现状
• 1.2.1 光子晶体光纤概述
• 1.2.2 高双折射光子晶体光纤的研究进展
• 1.2.3 高双折射光子晶体光纤的特点
• 1.2.4 高双折射光子晶体光纤在传感方面的应用
• 1.3 光学电压互感器
• 1.3.1 光学电压互感器的发展背景
• 1.3.2 光学电压互感器的主要类型和结构
• 1.3.3 光学电压互感器的国内外研究现状
• 1.4 选题意义和主要研究内容
• 第2章 高双折射光子晶体光纤理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 光子晶体光纤的理论分析模型
• 2.2.1 等效折射率法
• 2.2.2 有限元法
• 2.2.3 其它方法
• 2.3 高双折射光子晶体光纤的模式分析
• 2.3.1 双孔PCF 的模式特性分析
• 2.3.2 类矩形PCF 的模式特性分析
• 2.3.3 六角芯PCF 的模式特性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 保偏光纤的模间干涉理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 相位调制型光纤传感器
• 3.3 光纤中的线偏振模理论
• 3.4 光纤中模间干涉的基本理论
• 3.4.1 光纤中模间干涉的基本原理
• 3.4.2 光纤中模间干涉的应变特性分析
• 3.5 几种保偏光纤的模间干涉特性分析及比较
• 3.5.1 三种保偏光纤模式双折射的理论分析
• 3.5.2 三种保偏光纤二阶模截止波长的理论分析
• 3.5.3 三种保偏光纤模间干涉灵敏度的分析
• 3.5.4 三种保偏光纤干涉模场的分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 不同结构参数的双孔PCF 模间干涉特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 不同结构参数对截止波长的影响
• 4.3 双孔PCF 不同结构参数对模间干涉灵敏度的影响
• 4.3.1 双孔PCF 不同结构参数对传输常数差的影响
• 4.3.2 应变作用下双孔PCF 结构参数对传输常数差变化量的影响
• 4.3.3 应变作用下双孔PCF 结构参数对ΔL2π的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于双孔PCF 的高电压互感器研究
• 5.1 引言
• 5.2 双孔PCF 中的模间干涉基本特性的实验研究
• 5.3 基于五维可调支架的双孔PCFΔL2π的测量与结果分析
• 5.3.1 实验系统
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 基于压电陶瓷的双孔PCFΔL2π的测量与结果分析
• 5.4.1 压电效应和压电材料
• 5.4.2 压电陶瓷（PZT）的工作原理
• 5.4.3 实验系统及实验结果分析
• 5.5 基于压电陶瓷和模间干涉原理的低电压传感实验
• 5.5.1 基本原理
• 5.5.2 实验系统及实验结果分析
• 5.6 基于石英晶体逆压电效应的全光纤高电压互感器
• 5.6.1 石英晶体的压电性质及工作原理
• 5.6.2 石英晶体的压电系数和介电常数的温度特性
• 5.6.3 实验系统及实验结果分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介