全光纤干涉式光纤传感器是近年来,继光纤光栅类传感器之后出现的一种更高精度、结构多样和易于实现的传感器,该类传感器一经提出,就引起了世界各国科学家和产品开发商们的广泛关注,也是近年来发展最为迅速的一种全光纤传感器之一.全光纤干涉式传感器结构多样,参与传感的模式种类繁多,传感模式的分析和研究是实现该类传感器优化设计的关键.
　　本论文以全光纤干涉式传感器中的传感模式为研究对象,通过理论与实验相结合的研究方法,对该类传感器中传感模式与传感器结构及传感特性优化设计关系进行深入研究,论文工作主要包括:
　　光纤纤芯模及包层模有效折射率理论计算及模拟研究.在介绍光纤中的模式及模式分类等基本概念基础上,采用区间遍历法和截弦法,分别对单一光源波长时纤芯模及包层模所对应的有效折射率进行了计算和仿真.提出了一种根据各阶模式有效折射率的分布规律的不等步长计算方法,大大提高了计算速度,该方法尤其适用于光源为一个波段,光纤中模式数较多情况下各模式有效折射率的计算,并用此方法模拟计算了该种情况下纤芯及包层模有效折射率.
　　对自行提出的一种纤芯折射率周期掺杂全光纤传感结构传感模式的理论模拟研究.在耦合模理论基础上,阐述了长周期和倾斜光纤光栅基本原理并对其输出光谱进行了仿真.在此基础上,提出了一种纤芯折射率周期掺杂,由于掺杂材料折射率改变栅格周期较长,会将纤芯中的光散射入包层中的新型传感结构,对该传感结构输出光谱与折射率调制及光纤几何参数关系进行了仿真,并通过傅里叶变换获得了以上各种情况下对应空间频谱,通过空间频谱研究了参与传感的包层模式与各参数间关系.
　　全光纤干涉式传感器传感模式理论研究.在论述全光纤干涉式传感器结构及工作原理基础上,利用有限差分光束传播法获得传感光纤不同长度和不同芯径比时传感器对应的光谱,通过傅里叶变换获得其干涉频谱,计算出各主要参与干涉的包层模组的有效折射率,利用色散方程确定对应包层模.理论仿真结果显示,随着传感部分光纤长度增加,参与干涉的包层模式随之增加,并且向高阶模式变化,光谱变得稠密,是多阶包层模干涉的叠加,传感器输出干涉谱的自由光谱范围变小.随着输入/传感光纤芯径比变化,会明显改变纤芯包层功率分布,同时,芯径比增大也会增加参与干涉的包层模种类和阶数.并将该方法应用于去包层和弯曲传感光纤对于全光纤干涉式传感器传感模式影响研究,验证了通过去包层和弯曲的方法,可以有效提高传感灵敏度的结论.
　　全光纤干涉式传感器模式偏振衰落抑制优化实验研究.通过将M-Z(Mach-Zehnder)全光纤干涉式传感器级联光纤法拉第旋镜(FRM)构成全光纤干涉式Michelson传感器的研究方案优化设计了传感器结构,并对优化后的传感器输出特性进行了实验研究.实验结果表明:未加FRM前波峰、波谷和光谱强度绝对误差分别为±0.675nm、±0.445nm和±0.22dB,加入旋镜后,绝对误差分别为±0.07nm、±0.015nm和±0.01dB,明显克服了传感模式偏振衰落带来的光谱不稳定,有效提高了传感器的灵敏度和集成性能.在此基础上对该类传感器的温度和液体折射率特性也进行了实验研究.
　　级联光纤Bragg光栅实现传感模式控制实验研究.采用M-Z全光纤干涉式传感器输出端级联光纤Bragg光栅(FBG)结构,通过水浴加热Bragg光纤光栅而使光栅波长漂移的方法,达到控制M-Z全光纤干涉式传感器中干涉模式的目的.实验结果显示,FBG反射谱向长波漂移会引起全光纤干涉式传感器干涉谱中的较长波长的干涉波长随之向长波漂移,而较短波波长没用发生明显变化,并且干涉谱中较长波长漂移量是FBG随温度漂移的3.78倍.