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物联网-智慧传输-基于光纤多模干涉和倏逝场效应的折射率传感器研究.pdf
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物联网-智慧传输-基于光纤多模干涉和倏逝场效应的折射率传感器研究.pdf
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摘要
折射率传感器在生物医药、化学化工以及国防军事等领域有着重要的应用,目前的
化学分析类折射率传感器往往存在着分析周期长,依赖精密大型分析仪器等问题。光纤
折射率传感器由于具有结构简单便携、响应速度快、灵敏度较高、抗电磁干扰等优点在
近些年得到了迅猛的发展。本文对设计的光纤传感器的相关多模干涉理论和倏逝场效应
等机理进行了详细介绍,对单模-多模-单模(
SMS,singlemode-multimode-sigle mode
)光
纤传感器结构内部传输光场利用
RSOFT
软件进行仿真模拟,最后以基于多模干涉理论
的单模-无芯-单模光纤结构以及分段式倏逝场效应光纤传感器为研究对象,探讨了其在
折射率传感领域的应用潜力。
本文主要工作叙述如下:
1.对设计的折射率光纤传感器的相关多模干涉理论和倏逝场效应等机理进行了详
细介绍,通过理论推导得到了谐振波长以及透射深度的表达式,为后续传感器的应用研
究提供研究基础。
2.采用
BPM
数值模拟方法,计算了单模-多模-单模光纤内部光场的传输情况。分
析了不同入射光波长下,输出透射谱的变化规律。模拟了
SMS
结构内部传输光场分布,
发现输入光波长的变化会影响到自映像周期的改变。
3.设计一种基于单模-多模-单模光纤结构折射率液传感器,实验结果与理论结果相
吻合。在
SMS
光纤结构中,使用的多模光纤采用的是无芯光纤,避免了处理包层时的
不确定性,传感器灵敏度可以达到
460 nm/RIU
。
4.设计出一种分段式倏逝波光纤传感器,搭建实验系统并对折射率进行测量,结果
表明该传感器的折射率敏感度可以达到
444 nm/RIU
,而且由于光纤本身较低的热光效
应,使得此结构可以降低外界环境温度对其的干扰。
关键词: 光纤传感器;多模干涉;折射率传感;倏逝波
万方数据
Abstract
Refractive index sensor has important potential applications in many fields such as
biological medicine, chemical and national defense. Present chemical index sensors usually
need long analysis cycle and large precise instruments. Optical fiber index sensor has many
advantages such as fast response, high sensitivity and resistance to electromagnetic
interference. In this paper, theory based on multimode interference and evanescent field is
introduced in detail. A detailed simulation study of SMS
(
singlemode-multimode-singlemode
fiber based on multimode fiber interference) fiber structure has been carried out with RSOFT.
We discuss the potential applications based on SMS and segmented strutureoptic fiber.
The main work of this thesis is as follows:
1. Theory based on multimode interference and evanescent field is introduced in detail.
The formula of resonant wavelength and transmission depth of evanescent of output spectrum
is derivable from the theory of multimode interference,which provides the theoretical
foundation to the further research of optical fiber structure.
2. The beam propagation method was employed for modeling the propagation of light
along the SMS fiber structure. A analysis has been done on the propagation of light along the
SMS fiber structure with different wavelength of the input light.The different wavelength will
also affect the cycle of self-imaging effect.
3. A kind of refractive index sensor based on SMS has been designed.The experimental
results coincide with theoretical results. The use of no-core fiber can avoid the uncertainty
when getting rid of cladding layer. The sensor sensitivity can reach 460 nm/RIU.
4. A kind of segmented structure optic fiber evanescent wave sensor is designed which
has a refractive index sensitivity of 444 nm/RIU. The low temperature cross-sensitivity of this
equipment is due to low thermo-optic coefficients.
Key words
:
Optical fiber sensor, Multimode interference , Refractive index sensitivity,
Evanescent wave.
万方数据
-
6
-
目 录
第一章 绪论
...............................................................................................................................
8
1.1 研究背景............................................................................................................... 8
1.2 基于多模干涉效应的光纤传感器研究进展
..................................................... 11
1.3 基于倏逝场效应光纤传感器概述...................................................................... 12
1.4 本论文的研究意义以及主要内容...................................................................... 13
第二章 基于多模干涉和倏逝场光纤传感器理论基础
.........................................................
14
2.1
光纤模式
............................................................................................................... 14
2.1.1 波导场方程.................................................................................................15
2.1.2
光纤模式以及基本性质
.............................................................................16
2.2
光纤多模干涉理论
............................................................................................... 18
2.3 光纤倏逝场效应理论基础................................................................................... 21
2.4
总结
....................................................................................................................... 23
第三章 基于无芯光纤 SMS 结构光纤模场仿真模拟
.............................................................
24
3.1 光纤模场数值计算及其分类............................................................................... 24
3.1.1
数值计算方法
.............................................................................................24
3.1.2
光束传播法概念以及分类
.........................................................................24
3.2 基于有限差分法分析无芯光纤 SMS 结构模场................................................. 25
3.2.1
内部传输光场的模拟分析
........................................................................25
3.2.2 不同波长输入光的内部传输光场模拟.....................................................27
3.3 基于有限元法有效折射率曲线的计算............................................................... 28
3.4
总结
...................................................................................................................... 30
第四章 基于无芯光纤模式干涉的折射率传感器理论与特性研究
.....................................
31
4.1 基于多模干涉的 SMS 结构的传感原理.............................................................. 31
4.2 基于无芯光纤的 SMS 结构实验系统................................................................... 32
4.2.1
折射率匹配液的配置
.................................................................................32
4.2.2 光纤传感器的特性测试.............................................................................33
4.2.3
实验结果分析
.............................................................................................34
4.3
无芯光纤长度对灵敏度的影响分析
................................................................... 35
万方数据
-
7
-
4.4 总结和分析........................................................................................................... 37
第五章 分段结构光纤倏逝波折射率传感器
.........................................................................
38
5.1 倏逝波折射率传感器传感原理........................................................................... 38
5.2 分段式倏逝波传感器系统的设计....................................................................... 39
5.2.1
传感器系统的搭建
.....................................................................................39
5.2.2 实验结果处理与分析.................................................................................41
5.3 总结....................................................................................................................... 43
第六章 总结和展望
.................................................................................................................
44
6.1
总结
....................................................................................................................... 44
6.2 展望....................................................................................................................... 45
参考文献
...................................................................................................................................
46
发表论文和科研情况说明
.......................................................................................................
49
致 谢
...................................................................................................................................
50
万方数据
第一章 绪论
-
8
-
第一章 绪论
1.1 研究背景
伴随着人类科学技术不断迈步向前,信息技术也随之获得了极大的发展,尤其是现
在存在的传感器技术、通信技术和以计算机为基础的实用方式,成为了社会发展必不可
少的主要技术,他们分别承载了人类发展中的感觉功能、神经传导功能以及控制中枢功
能的作用。光纤作为一种媒介,相继在通信领域和传感器领域带来巨大的变革。最早的
民用研究是 1977 年美国布置的 FOSS 系统,此系统在查尔斯•M•戴维斯博士的主持下用
来检测美国以及其他国家的光网络状态、性能和噪音。光纤传感器在中国起步较晚,发
展历程主要可以大致分为三个阶段:第一阶段,1970 年左右,当时中国专业人员对该技
术进行了简单的分析与研究。在此基础上,1983 年 6 月初,我国以杭州为研究基地,开
展了一次电压传感器论证会讨论会议,通过该会议的举办向人们直接展现了中国政府对
此项技术非常的重视,同时给予了肯定。第二个阶段开始于 20 世纪 90 年代,在光纤通
信技术出现巨大市场之后,光纤传感器却还停留在实验室阶段,在这两重不利因素下,
国内的研究机构纷纷将目光转向光纤通信,光纤传感器的研究暂时走入低谷。光纤传感
器的全面发展始于第三个阶段也就是 2000 年之后,随着“物联网”“智慧城市”概念
的兴起,光联万物得到了研究人员的一致认同,光纤传感器得到了快速的发展。国家的
863 以及 973 计划的重点课题项目列入了光纤传感技术。从 2006 年到 2012 年,有关光
纤传感技术的专利数量持指数级增长态势,我国生产的光纤传感技术逐步满足市场实用
的技术需求,部分产品可以达到世界先进水平。
光纤传感器的定义是指:以光纤作为信息的传输介质,光作为信息的载体,将外界
被测物理量(如应力、温度、位移、折射率、加速度....)所产生的改变通过一定的媒
介将他们进行转变,最终将会把他们转变为具有光波特征的传感器
[1]
。所以说,光学测
量对该项技术产生了非常重要的影响,通常是考虑光的电矢量
E
的振动。如公式(1-1)
所示。
sin( )E A ωt φ
(1-1)
公式中,其中
A
是电场
E
的矢量;
ω
是光波运转过程中产生的频率强弱;
φ
主要表
达了光的整体相位情况;
t
是光谱在整个运作过程中所需时间的长短。只要外界改变其
中存在的光强度、偏振态、频率或者相位,就可以进行被测物理量调制。无论外界参量
是光强度、偏振态或者频率。接着我们则需要对其产生的解调频率或者转换关系进行改
变,就可以得到最基本的研究数据。这种分析方式与过去的分析方式相比,具有以下明
万方数据
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