纤芯错位光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪折射率传感及其温度依赖特性研究
光纤折射率传感器因其体积小，重量轻，反应快，抗电磁干扰等优点而被广泛应用。其中，光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪（MZI）传感器是光纤折射率传感器的一种，不像传统的MZI那样需要两个独立的物理干涉臂，它只需一根光纤就能实现芯层与包层的模式干涉。在众多的光纤内嵌MZI中，纤芯错位结构简单且机械强度好，只需用光纤熔接机对单模光纤进行错位熔接就能制备，具有制备简单和价格低廉的特点。 然而，光纤传感器在传感测量时，会受到环境温度波动的干扰，而产生温度和折射率交叉敏感问题，从而影响折射率的测量准确性。 本文以解决折射率与温度的交叉敏感问题为目的，研究了纤芯错位光纤MZI的温度敏感特性，以及它的折射率传感温度依赖特性。研究内容和得到的实验结果如下： 通过光纤熔接机制备了纤芯错位光纤MZI，通过观察干涉仪的干涉光谱，优化了干涉仪的纤芯错位距离和干涉臂长度，最佳参数分别为6μm和30mm。研究了温度在25℃下直条形纤芯错位光纤内嵌MZI的折射率传感特性，获得的最高折射率灵敏度为-30.77nm/RIU。为了提高折射率灵敏度，我将直条形的干涉仪进行弯曲。结果显示，弯曲之后折射率灵敏度明显提高，当曲率半径减小到25.42mm时，折射率测量灵敏度可以提高到-115.56nm/RIU。 研究了温度从25℃变化到60℃的条件下，纤芯错位光纤MZI的温度敏感特性和基于这种结构折射率传感器的温度依赖特性。对直条形纤芯错位MZI折射率传感器的温度依赖特性进行了分析。通过实验测得的总温度依赖折射率变化，减去被测甘油溶液的温度依赖折射率变化，分离出了传感器自身的温度依赖折射率变化，从而得到了传感器的等效热光系数，并给出了温度依赖折射率测量偏差的校正方法。 研究了变温条件下，弯曲形纤芯错位光纤MZI的温度敏感特性，以及它的折射率传感温度依赖特性。制备了纤芯错位距离为6μm、干涉臂长为30mm的纤芯错位MZI，并将其弯曲。结果表明，弯曲不仅提高了干涉仪的折射率灵敏度，也提高了其对温度的敏感性。随温度从25℃提高到60℃，发现随着弯曲半径的减小，温度灵敏度逐渐增大，当弯曲半径减小到25.42mm时，温度灵敏度为从未弯时的0.0499nm/℃，提高到了0.1175nm/℃。在测量误差范围内，被测液体折射率的变化，对温度灵敏度的影响不大。同时，温度的变化也几乎不影响折射率灵敏度。 将纤芯错位光纤MZI弯曲一定的曲率半径，利用干涉光谱中具有两个不同灵敏度的干涉波谷，同时测量了折射率和温度。在曲率半径减小后，增大了自由光谱范围，干涉谱波谷数量减少到只有一个。通过引入FBG与干涉仪串联的方法，解决了波谷数目不够两个的问题，实现了温度和折射率的同时测量。对于弯曲半径为25.42mm的干涉仪，得到的温度和折射率灵敏度分别为0.1175nm/℃和-115.5646nm/RIU。
光纤折射率传感器;温度依赖特性;纤芯错位;等效热光系数
吉林大学
硕士
物理电子学
郑杰
2022
中文
TP212.14
2022-08-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）