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光纤传感器具有抗干扰、本质安全、高灵敏度、测量对象广泛等优势,因此光纤传感器成为传感领域的研究热点。其中相位调制型光纤传感器具有极其灵活的结构设计、测量范围广、灵敏度高等优势。本文介绍了相位调整型光纤传感器的种类、应用、特点、研究意义、发展过程;介绍了光纤法布里.珀罗(Fabry-Pcrot,F-P)干涉仪输出光谱设计和分析方法,研究了光纤F-P干涉仪的传感应用,本文的主要研究工作和成果如下:
1、对相位调制型光纤传感器进行了较为系统的比较和分析,对光纤F-P传感器所具有的灵敏度高、制作方法灵活、稳定性好等优势进行了综述。在此基础上,对光纤光栅构成复合结构的光纤F-P干涉仪特性及飞秒激光刻蚀F-P干涉仪的制作方法进行了研究。
2、对光纤光栅构成F-P干涉仪的光谱特性进行了详细分析。研究表明:利用光纤Bragg光栅作为腔反射镜构成的光纤光栅F-P干涉仪,其干涉条纹具有极窄的线宽,该纤栅型干涉仪具有极高的测量精度。详细分析了FBG的长度、周期、折射率调制深度、腔长等对干涉仪条纹数量、线宽、自由光谱范围的影响。
3、对两个FBG中内置一个LPG构成复合结构的纤栅型F-P干涉仪进行了理论建模,理论分析了LPG谐振波长随外界折射率、温度、应变的漂移情况。采用传输矩阵法,对该干涉仪的光谱特性进行了详细分析,研究了各种参数对干涉仪特性的影响。研究发现:这种纤栅型干涉仪同时具有FBG和LPG的共同优点,即具有极窄的线宽,又对外界参量变化敏感,其折射率探测下限理论值可达2.27×10-6
4、提出阶梯型折射率调制FBG可用光纤F-P微腔级联进行等效的思想,初步建立了一种改进的双光束分析方法。利用多层膜理论的Rouard方法,详细分析了光纤F-P微腔级联的光谱特性。,研究了光纤微腔级联时光谱的变化规律。研究表明:光纤微腔的腔长和折射率调制深度(即紫外曝光量)在满足FBG的相位匹配条件下,多个光纤微腔级联时将具有FBG的性质。
5、利用飞秒激光在单模光纤上刻蚀微腔,合作研制出光纤F-P微腔传感器。基于平行腔双光束干涉理论,合作提出V型光纤F-P微腔干涉模型,理论分析了该微腔底角对腔内光程的影响。研究表明:随着微腔底角的增加,该微腔干涉仪反射光的强度降低,其输出光谱的对比度降低,此特性可用于弯曲等感测。