光子晶体光纤机械特性及其干涉传感特性研究

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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。
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