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基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪的研究

发布时间:2019-12-31 20:40    点击次数:81次   

  Vol36 pp6 SpectroscopyandSpectralAnalysisMay 曾德干涉仪的研究孙明明,王剑锋,金永兴 中国计量学院光学与电子科技学院,浙江杭州310018 曾德干涉仪,进行了液位和曲率的测量实验,利用错位结构将纤芯模式激发到包层,包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。 包层模式对外界物理量如折射率、应力的变化敏感,导致透射光谱漂移。波谷波长的漂移量与液位和曲率的 变化成线性关系,利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。在液位实验中,在水位变化范围为 100~500 cm 时,波谷向短波方向漂移,灵敏度最高为 -068nm cm-1 ,线 。在曲率实验中,曲 率的变化范围为 -1时,波谷向长波方向漂移,灵敏度最高为 2247nm ,线 ,表现出较高的灵敏度。错位结构和花生形结构被用于组成马赫 曾德干涉仪,用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接,结构和制作方法简单,灵敏度高,尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。 关键词 曾德干涉仪;液位测量;曲率测量中图分类号: TP212 文献标识码: ADOI 05156005收稿日期: 20140729 ,修订日期: 20141112 基金项目:浙江省公益项目( 2014C33065 ),浙江省安全生产科技计划项目( 2014A1004 ),国家( 973 )计划项目( 2010CB327804 )资助 作者简介:孙明明, 1989年生,中国计量学院光学与电子科技学院硕士研究生email *通讯联系人email 光纤传感器相对于机械,电子传感器具有独特的优势,如抗电磁干扰,耐腐蚀,远程高灵敏度和能力传感,已经在 很多行业得到了广泛的应用。典型的光纤传感器如长周期光 ,以及光子晶体光纤 等一些特种已经得到了广泛的应用。这些传感器具有优势,如响应参数,动态范围大、灵敏度高,但价格较高, 熔接方法复杂。基于全光纤结构的马赫 曾德干涉仪具有简单的结构和熔接方法,参与干涉的包层模式对外界物理量的 变化敏感,是光纤传感领域中的一个重要的方向并取得了许 多成果 [710] 曾德干涉仪结构如图 所示,宽带光从光源输出,经过错位结构时,一部分被耦合到包层,形成包层模式,另一部分沿着纤芯继续传 播。当包层模式经过花生形结构时,由于花生形结构类似两 个椭球透镜 ,一部分包层模式被耦合到纤芯,与纤芯模式发生干涉。 曾德干涉仪的结构图Fig.1TheMZIbasedonlateral -offset andpeanut-shapestructure 透射光谱波谷波长为[10] 2ΔneffL2N+1 Δneff为纤芯模式和 为干涉仪的长度。错位结构在熔接时,光纤的 )所示。模拟的纤芯模式和包层模式的场分布如图 。在模拟场分布图中,错位幅度的加大导致包层模式变强的同时纤芯模式变弱,二者相等时,干涉谱的对比度最大。 根据最终的透射光谱图,选取适当的错位幅度来改善透射光 谱的干涉效果。 )分别表示长度为610 纤芯模式和包层模式的模拟场分布Fig.2Thesimulatedfielddistributionofcoremodeandcladdingmodes 干涉仪的透射光谱和空间频谱Fig.3MeasuredtransmissionspectrumandspatialfrequencyoftheMZI 率实验。为研究参与干涉的包层模式,对透射光谱做快速傅 里叶变换( FFT 对应的频谱图。在频率大于零的范围内,有一个明显的尖峰,这代表某一阶包层模式。除了这个明显的峰,还有许多 光谱学与光谱分析微弱的峰,这表明除了某一阶主要的包层模式,还有其他的 包层模式参与干涉,强度微弱。在花生形结构中参与干涉的 包层模式的数量可近似认为只有众多模式中的某一阶。 当光纤被周围液体浸没时,包层模式有效折射率增加的同时纤芯模式的几乎不变导致 Δneff 减小。液位实验装置如图 所示,干涉仪的错位结构的一端与宽带光源相连接,花生形结构的一端与光谱仪相连接,整个干涉仪被拉直固定在刻 度尺上,垂直的放置在装水的容器中。随着水位高度的增 加,浸没在水中的干涉仪长度增加,水位的测量范围就是干 涉仪的长度。透射谱中波谷的波长公式如下 [10] 2ΔneffnLn2m+1 Ln2m+1 Ln为干涉仪浸没在水中部分相对于花生 形结构的长度。 液位实验装置图Fig.4Theschematicdiagramofthe liquidexperimentsystem 波谷的波长的变化量与液位高度的拟合直线Relationshipbetweenthewavelength shiftandliquidlevel Δneffn。在空气中时为 Δneff )中,波长为15327nm 的波谷 和波长为15778nm 的波谷 被用于水位的测量。 水位高度的变化从100cm 增加到 500cm ,透射光谱 蓝移,波谷 的波长变化量与水位高度变化的线性拟合。波谷 对水位变化的灵敏度sAL =-068nm cm-1 ,线。波谷 对水位变化的灵敏度sAL=-054nm cm-1 ,线。相对于波谷 的灵敏度更高,线性效果也更好。 所示,错位结构的一端与宽带光源相连接,花生形结构一端当与光谱仪连接。两个平 台,一个被固定,一个可移动。向前推进可移动平台使干涉 仪弯曲。弯曲的半径与可移动平台向前推进的距离有关。 曲率实验装置图Fig.6Experimentalsetupforcurvaturetest 曲率的计算公式如下 [11] 为可移动平台相对于光纤被拉直时的位置向前移动的距离。 L1 为光纤被拉直时,两 平台之间的距离, L1=2150cm ,干涉仪的长度 L=210 mm 。当光纤被弯曲时,纤芯和包层会产生不同的应变,导致 Δneff 发生变化,透射光谱波谷的波长为 [11] effL2N+1 2kLd2N+1 波谷的波长变化量与曲率的拟合直线Relationshipbetweenthewavelengthshiftandcurvature 153064nm的波谷 和波长为150390nm 的波谷 被用于曲率的测量。随着平台向前推进,曲率增加,波谷波长增加,如图 的波长漂移量与曲率的线性拟合如图 所示,插图部分为不同曲率下的透射谱,波谷 的灵敏度为sAC=2247nm AC=09864 。对于波谷 有更高的灵敏度,更好的线性效果。 根据相关文献[ -1,本文的曲率实验中,波谷的灵敏度最高为 2247nm ,远远高于对温度的灵敏度,温度对曲率测量的影响微弱。液位实验中,温度的影响不能忽略,实际应用 中需要温度补偿,消除温度交叉敏感。 曾德干涉仪利用错位将纤芯模式激发到包层,形成包层模式,通过花生形结构将包 层模式耦合到纤芯,发生干涉。根据液位和曲率实验结果, 干涉仪的包层模式对液位和曲率的变化比较敏感,液位实验 的灵敏度最高为 -068nm cm-1 ,曲率实验的灵敏度最高 。在曲率的测量中表现出较高的灵敏度,高于其他结构的传感器 [1213] YINGuolu .ActaPhysicaSinica(物理学报), 2013 光谱学与光谱分析hewaterlevelexperiment thewaterlevelchangesfrom100to500cmandthewavelengthvalleyshowsaredshift.ThesensitivityoftheMZIwithalengthof610cmis-068nm cm-1 .Inthecurvatureexperiment thecurvaturechangesfrom03to12andthewavelengthvalleyshowsablueshift.ThesensitivityoftheMZIwithalengthof210cmis2247nm m.Thelateraloffsetstructureand peanutshapestructurearesplicedtofabricatetheMZI.ThesensitivityoftheMZIishigh especiallyinthecurvaturemeasurement itishigherthanthatofotherfibercurvaturesensors.MoreovertheMZIpresentedinthispaperhasadvantagesoflowcostandeasyfabrication whichcanbeapotentialapplicationintheliquidlevelandcurvaturemeasurement.KeywordsOpticalfibersensor


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