基于双芯光子晶体光纤的干涉测量技术研究

【摘要】双芯光子晶体光纤是近些年发展起来的新型微结构光纤，凭借独特的双导光纤芯结构，其在光纤传感领域占据着一席之地。本文利用双芯光子晶体光纤(Dual-CorePhotonicCrystalFiber)传感单元，研究其传感理论和特性，实验研究DC-PCF弯曲和温度传感特性，并基于该光纤的自混频效应，研究其应用于流场颗粒速度测量的可行性。首先，本文研究了双芯光子晶体光纤的相干合成机理，在确保双芯光子晶体光纤出射光为单模的前提下，从理论和实验上分析了干涉条纹的形成原理，结果表明干涉条纹是在干涉效应和衍射效应交织作用下产生的。在此基础上，进一步研究了双芯光子晶体光纤的横向耦合效应，结果表明，DC-PCF的两纤芯存在一定的横向耦合，且两纤芯出射的光功率并非恒定相等。其次，由于DC-PCF具有类似于Mach-Zehnder式干涉仪的独特结构，我们探索了双芯光子晶体光纤进行各种物理量传感的可能性，本文分别对弯曲传感和温度传感进行了实验。在弯曲测量实验中，得到了光纤弯曲角度与出射光相位变化量曲线，该曲线线性度达到0.9968，这一结果验证了理论分析，即双芯光子晶体光纤中传输光的相位差改变量d与光纤两端和曲率中心形成的夹角改变量dθ成正比。然后，从实验上探究了DC-PCF对温度的传感特性，分别进行了笔直DC-PCF段和弯曲DC-PCF段的升温实验，实验结果表明，DC-PCF之所以能进行温度传感，是因为光纤弯曲时，两纤芯受温度场作用时产生的相位差不相等。在光纤处于圈状时，DC-PCF的温度传感曲线具有极高的线性度，达到0.9988，此时，DC-PCF的温度灵敏度为1.023×104rad/m·℃。最后，基于双芯光子晶体光纤的自混频效应，探索开发出一种新型的测量微粒流速的检测系统。相较于传统LDV系统，基于DC-PCF的LDV系统的干涉区域独特，传统定义上的控制体并不适用于此系统，基于此，提出了“控制面”的说法。成功地搭建了基于DC-PCF的激光多普勒测速系统，对运动物体进行了速度的测量与标定，并分析了测量过程中造成频谱展宽的原因。实验结果表明，利用光电门测定的速度与利用LDV系统测定的速度十分吻合，线性度达到了0.99993。该新型的LDV系统能很好地应用于实际运动物体的速度测试，这一新型的激光多普勒测速技术拓宽了光电检测技术的发展方向，为MEMS以及生物医学领域中微粒的速度测定问题提供了新的解决方案。
【作者】郑光华；
【导师】徐江荣；黄雪峰；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】双芯光子晶体光纤；干涉测量技术；相干合成；弯曲传感；温度传感；激光多普勒测速技术；

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