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基于耦合模理论的光纤LP₂₁模式的扭转与弯曲特性研究

作　者: 袁余锋
导　师: 吴兴坤
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤模式光纤传感 LP21模式光纤模式理论弹光效应耦合模理论光纤扭转光纤弯曲光纤光斑图形传感器
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光纤在通信领域与传感领域中发挥了重要的作用,从上个世纪60年代发明光纤到现在,人类一直没有停止过研究的步伐。光纤以它内部传导的光纤模式来传递外部信息,不同光纤模式有着各自不同的性质,本文以光纤中传导的一个低阶多模——LP2,模式作为研究对象,来探寻它在光纤发生扭转与弯曲时的传输特性。本文首次在实验上发现并从理论上证明了LP2,模式的扭转线性与弯曲无关性的特性,即当光纤发生扭转应变时,由于几何效应和弹光效应的综合作用,LP2,模式的光斑将绕着中心旋转,并且旋转的角度与光纤扭转角度比值为0.9112,而当光纤发生弯曲应变时,LP2,模式的光斑将保持原来的形状,既不旋转也不变形。LP2,模式的这两个特性非常合适用于设计光纤光斑图形传感器(Fiber Specklegram Sensors, FSS)。本文丰富了光纤模式的研究,为研究类似的光纤低阶多模提供了新的思路,同时也为光纤光斑传感器设计提供了一个非常好的材料与思路。本文主要从理论和实验两个方面对LP21模式的扭转与弯曲特性进行了系统深入的研究,主要完成了以下几部分的内容：首先,本文对光纤模式理论与光纤耦合模理论作了简单的介绍,包括光纤常见模式以及选择性激发各类模式的方法,耦合模理论的原理及在单模偏振研究中的应用,光纤光斑图像传感器的设计思路与常见方案。其次,本文从理论上推导了LP2,模式在光纤扭转与弯曲时的特性,主要包括LP2,模式的具体表达式与激发条件,弹光效应的求解,耦合模理论的详细应用以及在Maple软件中的计算过程。接着,本文设计了三组实验来探索与验证LP2,模式的扭转与弯曲特性,主要包括光纤扭转、光纤弯曲、中间光纤扭转三个实验方案,同时也介绍了数据采集方法。再者,本文对实验中采集数据的整理与分析方法进行了介绍,包括图像获取方式、数据处理方法、软件拟合方法以及传感器设计思路等内容。最后,对本文研究的内容与意义做了简单的总结与展望。

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