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基于长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率传感研究-信息与通信工程专业论文.docx

发布:2019-03-29约5.59万字共59页下载文档
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万方数据 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津理工大学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编, 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日 摘要 本文首先根据光纤三层介质模型和长周期光纤光栅(LPFG)全矢量耦合模方程的 理论分析,针对纤芯存在光致双折射的 LPFG,利用其输出光的偏振态的斯托克斯参数 与环境折射率(SRI)的关系,提出两种 SRI 测量的新方法。一种是基于 LPFG 偏振特 性的单一波长 SRI 传感测量方法,另一种是基于 LPFG 偏振特性的多波长 SRI 测量方法。 本文的主要研究内容包括: (1)传统的基于 LPFG 的 SRI 传感器需要使用宽带光源,用来追踪随着 SRI 的改变 而发生的谐振波长的偏移。为了增加一种使用可调谐激光光源进行传感测量的方法,并 且使得测量曲线获得较大的线性范围,本文针对纤芯存在光致双折射的 LPFG,提出一 种测量 SRI 的方法。利用 LPFG 全矢量耦合模方程,分析了输出光偏振态的斯托克斯参 数与 SRI 的关系。从入射光波参数和 LPFG 参数两个方面分析此测量方法,分析表明: 波长范围为 1690nm-1710nm 的任意完全偏振光波入射包层半径为 20.75 μm 的薄包层 LPFG,其纤芯模式与一阶三次包层模式发生耦合,在 SRI 1 到 1.46 范围内呈现良好的 线性传感特性,其探测灵敏度为 0.02588/RIU(RIU 为单位折射率)。本研究结果可进一 步应用于 SRI 1 到 1.33 范围内的湿度和气体折射率测量。 (2)对于现有的利用可调谐激光器来实现传感测量的方法以及传统的 LPFG 传感器 测量方法,其 SRI 的线性测量范围通常是 1.32 到 1.46,线性范围小,为了使测量曲线 获得较大的线性范围,本文利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致 双折射的 LPFG 的单波长 SRI 传感测量方法。波长约为 LPFG 谐振波长的完全偏振光作 为入射光波,通过分析不同 SRI 下输出光的偏振态在邦加球上与参考点(对应于 SRI=1) 间球面距离的变化可以测量 SRI。分析表明在 SRI 1 到 1.30 范围内,包层半径为 20.75 μm 的 LPFG 传感器具有良好的线性特性和较高的灵敏度 0.356/RIU,其有别于已有的 LPFG 传感器,可应用于湿度和气体的折射率测量,为进一步利用纤芯存在光致双折射的 LPFG 偏振特性进行传感测量提供了理论基础。 关键词:偏振 双折射 薄包层光纤 长周期光纤光栅 传感 Abstract Based on the three-layered medium model and full-vector coupled-mode equations, we propose two novel surrounding refractive index (SRI) sensing schemes based on the Stokes parameters characteristics of the output light from a thin-cladding UV-induced birefringent long-period fiber grating (LPFG). One is based on the core-only birefringent LPFG with multiple input wavelengths, the other is based on the core-only birefringent LPFG with single input wavelength. The work in the thesis is categorized as follows: Conventional LPFG-based SRI sensors require a broadband light s
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