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光子晶体光纤机械特性及其干涉传感特性研究

作　者: 杨晓辰
导　师: 饶云江
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: 光子晶体光纤机械特性微弯特性光纤熔接飞秒激光加工干涉传感特性温度特性应变特性
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在导师饶云江教授及朱涛老师的指导下,对光子晶体的光纤的机械特性、微弯特性及其应用于光纤珐珀干涉传感器的特性进行了探索性研究。研究包括全内反射型光子晶体光纤的机械特性,如横向负荷特性、弯曲特性、扭曲特性;全内反射型光子晶体光纤的微弯传感特性;基于不同类型光子晶体光纤的光纤熔接型珐珀传感器的制作及其温度特性和应变特性;基于全内反射型光子晶体光纤的飞秒激光加工的微型珐珀传感器的制作及其温度、应变特性。文章首次较全面的对全内反射型光子晶体光纤机械特性进行了实验研究,研究发现,全内反射型光子晶体光纤的横向负荷、扭曲、弯曲特性与普通单模光纤有很多相似的地方。PCF的包层有效折射率n会随外界应力的变化有规律的变化,在横向负荷实验中表现为干涉条纹的相位与所加负载的变化呈近似线性的关系,其幅值随着所加负载的变化呈近似正弦的关系;在扭曲特性实验中表现为,干涉条纹的相位与扭转角度呈近似线性的关系。全内反射型光子晶体光纤微弯特性实验结果表明,在不同的变形齿齿距下,TIR-PCF的微弯损耗灵敏度与普通单模、多模光纤变化规律一致,都是变形齿间距越小灵敏度越高,变形齿间距越大灵敏度越低。但由于光子晶体光纤与跳线熔接时的损耗较大,光强损耗的绝对变化量比普通单模、多模光纤要小。在相同变形齿齿距下,光子晶体光纤的微弯损耗灵敏度最高,微弯损耗灵敏度最低的是多模光纤,单模光纤的微弯损耗灵敏度略低于光子晶体光纤。研究还发现,在恰当的熔接参数下,光子晶体光纤和普通单模光纤的电弧熔接损耗可以小于1dB。在-20℃~ 100℃范围内,基于全内反射型光子晶体光纤的单边熔接的珐珀传感器温度系数(珐珀腔腔长随温度的变化系数)为7.24nm/℃,具有较好的线性度;基于光子带隙型光子晶体光纤的双边熔接的珐珀传感器温度系数(珐珀腔腔长随温度的变化系数)为13nm/℃,且在0～1000με内,传感器的腔长随应变成线性变化,线性度为0.9858。基于全内反射型光子晶体光纤的飞秒激光加工的微型珐珀传感器温度系数(干涉条纹极大值随温度的变化系数)为负,值为-0.0017nm/℃,其应变灵敏度为0.0036nm/με,线性度为0.9989,这是首次报道在光子晶体光纤上用飞秒激光加工微型珐珀干涉传感器。此外,本文还对利用等效折射率法对光子晶体光纤各种特性进行了定性的理论分析。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-25
  1.1 光子晶体简介  8-12
  1.2 光子晶体光纤简介  12-21
    1.2.1 光子晶体光纤的概念及分类  12-14
    1.2.2 光子晶体光纤的特性及应用  14-21
  1.3 光子晶体光纤的制作  21-22
  1.4 课题的研究内容及意义  22-25
2 光子晶体光纤基础理论分析  25-37
  2.1 光子晶体光纤理论研究方法  25-30
    2.1.1 各种研究方法简介  25-28
    2.1.2 等效折射率法分析光子晶体光纤  28-30
  2.2 PCF 传输特性理论  30-34
    2.2.1 全内反射型PCF 传输特性分析  30-32
    2.2.2 带隙型PCF 传光机理  32-34
  2.3 光子晶体光纤的弯曲损耗理论  34-36
  2.4 本章小结  36-37
3 全内反射型光子晶体光纤机械特性研究  37-50
  3.1 Tir-PCF 横向负荷特性研究  37-43
    3.1.1 Tir-PCF 横向负荷特性实验及结果  37-41
    3.1.2 横向负荷特性理论分析  41-43
  3.2 Tir-PCF 扭曲特性研究  43-46
    3.2.1 Tir-PCF 扭曲特性实验及结果  43-45
    3.2.2 扭曲特性理论分析  45-46
  3.3 Tir-PCF 弯曲特性研究  46-49
    3.3.1 Tir-PCF 弯曲特性实验及结果  46-48
    3.3.2 弯曲特性理论分析  48-49
  3.4 本章小节  49-50
4 光子晶体光纤微弯传感特性研究  50-61
  4.1 光纤微弯传感器测试理论基础  50-52
    4.1.1 微弯损耗效应  50
    4.1.2 光纤微弯传感器的工作原理  50-51
    4.1.3 光纤微弯传感器检测原理  51-52
  4.2 光纤微弯传感器变形齿的齿间距设计与器件制作  52-56
    4.2.1 最佳齿距设计理论  52-54
    4.2.2 最佳空间周期T 的计算  54-56
  4.3 PCF 微弯特性实验结果  56-60
    4.3.1 普通单模、多模光纤微弯特性实验  56-57
    4.3.2 光子晶体光纤微弯特性实验  57-58
    4.3.3 相同齿距下三种光纤微弯损耗对比  58-60
  4.4 本章小节  60-61
5 基于光子晶体光纤的珐珀传感器特性研究  61-87
  5.1 基于PCF 的光纤熔接珐珀传感器特性研究  61-77
    5.1.1 不同型号光子晶体光纤与普通光纤熔接方法研究  61-65
    5.1.2 熔接损耗分析  65-66
    5.1.3 熔接实验及结果  66-69
    5.1.4 珐珀腔结构设计及制作  69-72
    5.1.5 基于PCF 的光纤熔接型珐珀传感器特性研究  72-77
  5.2 PCF 上基于飞秒加工的微型珐珀传感器特性研究  77-85
    5.2.1 飞秒加工系统简介  78-79
    5.2.2 PCF 上微纳光纤珐珀传感器的设计及加工  79-81
    5.2.3 光子晶体光纤上飞秒激光加工的微型光纤法珀传感器特性研究  81-85
  5.3 本章小结  85-87
6 全文总结  87-89
致谢  89-90
参考文献  90-97
附录:攻读硕士学位期间取得的成果  97

光子晶体光纤机械特性及其干涉传感特性研究

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