基于纤芯直径不匹配和保偏光纤布拉格光栅同时测量折射率，温度和应变外文翻译资料

 2022-05-06 09:05

基于纤芯直径不匹配和保偏光纤布拉格光栅同时测量折射率，温度和应变

童峥嵘，王洁玉，张卫华，曹晔，天津理工大学计算机与通信工程学院薄膜电子学与通信器件重点实验室，智能计算与新型软件技术重点实验室，天津300384，中国

本文描述了一种光纤传感器，这种光纤传感器能够同时测量周围介质折射率，温度和应变。基于光纤的核心直径不匹配，本文提出了多模-单模-多模（MSM）结构。结果表明，周围介质的折射率、温度、应变这三个参数可以分别通过单模光纤（SMF）激励的纤芯模和包层模的干涉来测量。然后结合保偏光纤布拉格光栅（PMFBG），它具有不同于多模-单模-多模结构的传感特性，同时测量周围介质的折射率、温度、应变这三个参数。实验结果表明，保偏光纤布拉格光栅（PMFBG）对折射率不敏感，多模-单模-多模（MSM）结构的折射率灵敏度为96.04 ，多模-单模-多模（MSM）结构的特征波长和保偏光纤布拉格光栅（PMFBG）的快轴和慢轴的中心波长的温度灵敏度分别为0.0911nm·，0.00976nm和0.0105 nm;它们的应变灵敏度分别是-0.013nm,0.012nm和0.012nm。

在近期的研究中，光纤传感器与光纤光栅的干涉相结合引起了研究学者的极大兴趣[1-3]。 液体中的折射率测量是化学，医学和生物应用中的重要问题[4]。 但是，大部分要测量的液体都是温度敏感的，它们的折射率随温度的变化而发生改变。为了测量被测液体在不同温度下的折射率，各种类型的光纤传感器已经被开发出来，如光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光纤光栅（LPFG）、级联长周期光纤光栅（LPFG）、倾斜光纤布拉格光栅（FBG）和光纤干涉仪的混合结构[5-9]。 事实上，在测量液体折射率的过程中，有一个影响因素常常被忽略，那就是作用在传感器上的应变常常，应变常量会影响光纤传感器的测量结果。因此，S. M. Lee[10]提出了一种在核心蚀刻光纤布拉格光栅中激发三种不同阶模的结构，并同时实现了对周围介质折射率，温度和应变三个参数的测量。 但是，蚀刻后的光纤布拉格光栅（FBG）非常脆弱，测量时容易损坏，不方便操作，还有一个重要的问题是由于蚀刻后的光纤布拉格光栅（FBG）非常脆弱，因此这种类型的传感器无法大批量生产。

在本文中，通过将一段单模光纤（SMF）插入两根多模光纤（MMF）中，实现基于光纤的芯径不匹配的多模-单模-多模（MSM）结构，然后将其级联成极化维持光纤布拉格光栅（PMFBG）[11,12]。由于多模-单模-多模（MSM）结构和保偏光纤布拉格光栅（PMFBG）对周围介质的折射率，温度和应变具有不同的响应灵敏度，使用敏感矩阵同时实现周围介质折射率，温度和应变这三个参数的测量。这种类型的光纤传感器结构简单，成本低廉等优点，在生物化学领域具有良好的应用前景。

下面图1显示了光纤传感系统的实验装置。 在该实验中，假设单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）之间没有轴向偏移。 当来自宽带通道（BBS）的光通过一段输入单模光纤（SMF）发射到多模-单模-多模（MSM）结构中时，多模光纤MMF1激发基模和高阶导模。 当多模光纤MMF1中的模式耦合到单模光纤SMF1的包层中时，在单模光纤SMF1中激发纤芯模式和包层模式。

图1 实验装置示意图

由于包层模和芯模的有效折射率不同，在SMF1-MMF2（单模光纤-多模光纤）拼接点处会产生相位差。 因此，满足相位匹配条件的光干扰单模光纤SMF1。单模光纤SMF1发出的光被重新耦合到多模光纤MMF2中。 通过多模光纤（MMF2）和光纤布拉格光栅（PMFBG）传播后，光谱可以通过光谱分析仪（OSA）观察到。

当在多模光纤MMF1中激发的模式沿着多模光纤MMF1传播时，会引起电场的重新分布。 电场分布可以表示为：

（1）

在上面公式（1）中，和分别是第m模式的场激励系数和归一化模态场分布。是第m个模式的传播常数，是多模光纤MMF1的长度，N是多模光纤MMF1中激发模式的数量。

在电场重新分布之后，当光被耦合到单模光纤SMF1的包层中时，在单模光纤SMF1中激发纤芯模和包层模。核心模式和包层模式之间相长干涉的条件可以给出为：

（2）

在上面公式（2）中，核心和是传播常数的核心模式和第m包层模式。 L是单模光纤SMF1的长度。

两个相邻最大波长（或最小波长）之间的波长间隔显示为：

（3）

在上面公式（3）中，是仪器的工作波长，是芯模和第m包层模之间的有效折射率差。

当传感器周围环境发生变化时，和L会同时发生变化，这种变化会导致包层模与核心导模之间的干涉变化。 对应于干涉光谱的峰峰值称为特征波长，其随外部环境变化。

对于光纤布拉格光栅（PMFBG），外部折射率对光纤布拉格光栅（PMFBG）的固有折射率没有影响，因此光纤布拉格光栅（PMFBG）对外部折射率不敏感。 当被测物质的环境温度和应变同时发生变化时，会产生热膨胀效应，热光效应和弹性光学效应，光纤布拉格光栅PMFBG在x轴和y轴上的两个峰值分别对应快轴模式和慢轴模式会转移为：

（4）

（5）

在上面公式（4）和公式（5）中，a、、分别是热膨胀系数，热光系数，有效弹性光系数。和分别是温度和应变的变化。

在以往的实验中，长江光纤光缆有限公司（YOFC）生产了包括多模光纤MMF1和多模光纤MMF2的两段多模光纤MMF（105/125; 6 mm）和一段单模光纤SMF1（8/125; 25 mm）。 光纤布拉格光栅PMFBG在x轴和y轴上的两个峰的中心波长分别为1546.32nm和1545.92nm。 使用Anritsu MS9710B OSA测量传感器的光谱，如图2所示。 由于光纤布拉格光栅PMFBG的带宽与多模-单模-多模（MSM）结构的干扰频谱相比太窄，图2放大如图3所示。 而干涉的特征波长可以选择为1551.82 nm。

图2 传感器后的输出光谱

图3 传感器后光线的放大光谱

通过将感测区域（MSM结构和PMFBG）置于具有已知折射率的液体中而在室温下进行被测物质折射率的测量。 当NaCl溶液浓度从0％变化至25％，NaCl溶液折射率从1.3333变为1.3798。通过观察波长的偏移，得到如图4所示的折射率响应曲线。从图4可以看出，光纤布拉格光栅PMFBG对折射率不敏感，多模-单模-多模（MSM）结构的特征波长灵敏度为96.04。

为了测量温度的变化对折射率产生的影响，感应区域固定在恒温器（MH-5800）上。将恒温器 从20℃调制到80℃，每5℃记录一次波长变化，如图5所示。 图5表明随着温度的升高，光纤布拉格PMFBG的多模-单模-多模（MSM）结构和两个中心波长的特征波长向右漂移。 特征波长对多模-单模-多模（MSM）结构的温度灵敏度为0.091nm，光纤布拉格光栅PMFBG的x轴和y轴的中心波长温度灵敏度分别为0.00976nm和0.0105 nm。

图4 折射率响应特性曲线

图5 温度响应特性曲线

在室温下，为了测量应变的变化对折射率的影响，传感区域固定在悬臂梁上。 在0-650us的范围内，每隔50us记录一组数据，并且应变响应曲线如图6所示。 图6表明，多模-单模-多模（MSM）结构的特征波长的应变敏感性为-0.013nm，光纤布拉格光栅（PMFBG）的x轴和y轴的中心波长的应变灵敏度均为0.012 nm。

使用上述实验和线性拟合，可以在波长和三个参数的变化之间获得矩阵。 矩阵可以表示为:

（6）

图6 应变响应特性曲线

在本文中，展示了用于同时测量折射率，温度和应变的光纤传感器。 多模-单模-多模（MSM）结构和光纤布拉格光栅PMFBG构成传感器的感测区域。 由于多模-单模-多模（MSM）结构和光纤布拉格光栅PMFBG之间的传感特性不同，通过使用敏感矩阵同时测量三个参数。 该传感器具有结构简单，成本低，操作方便等优点，可以批量生产，未来在生化领域有很好的发展。

参考文献

[1] Z. Tong, Y. Guo, X. Yang and Y.Cao, Applied Mechanics and Materials 130-134, 4053 (2012).

[2] Y. Jin, C. Chan, X. Dong and Y. Zhang, Asia Communications and Photonics 7630, 76302E (2009).

[3] L. Shao, A. Zhang, W. Liu, H. Fu and S. He, IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 30 (2007).

[4] C. Tang, E. Li, C. Wang, C. Li and D. Zheng, Journal of Optoelectronics · Laser 22, 1138 (2011). (in Chinese)

[5] J. Yan, A. Ping Zhang, L. Shao, J. Ding and S. He, IEEE Sensors Journal 7, 1360 (2007).

[6] C. Zhao, X. Yang, M. S. Demokan and W. Jin, IEEE J. Lightw. Technol. 24, 879 (2006).

[7] D. W. Kim, F. Shen, X. Chen and A. Wang, Opt. Lett. 30, 3000 (2005).

[8] P. Lu, L. Men, K. Sooley and Q. Chen, Appl. Phys. Lett. 94, 131110 (2009).

[9] K. Zhou, X. Chen, L. Zhang and I. Bennion, Meas. Sci. Technol. 17, 1140 (2006).

[10] S. M. Lee, S. S. Saini and M. Y. Jeong, IEEE Photon. Technol. Lett. 22, 1431 (2010).

[11] C. C. Ye, S. E. Staines, S. W. Jams and R. P. Tatam, Meas. Sci. Technol. 13, 1446 (2002).

[12] X. Guo, W. Bi, F. Liu and G. Fu, Journal of Optoelectronics· Laser 23, 224 (2012). (in Chinese)

测量板的折射率的简单方法

德黑兰大学物理系，P.代码14394，Kargar Shomally，德黑兰，伊朗b基础科学高级研究所（IASBS），P O框45195-159，Gava Zang，Zanjan，伊朗。

摘要

本文介绍了一种简单可靠的测量板样品折射率的方法，这种方法利用了从板表面反射的光束的最大间隔距离。 通过使用可用技术获得棱镜样本，这种技术的折射率测量精确度是可比的，这种技术也可应用于高压下的液体和气体。该技术由爱思唯尔科学有限公司保留所有权利。

1.介绍

透明平面平行板在光学系统中用作窗口，分束器，波前剪切装置以及用于生产薄膜光学元件的基板。 因此在一些情况，我们需要知道它们的折射率。用于测量板样品的折射率的常规方法（包括反射率，布鲁斯特角和显微镜中的图像位移的测量）只能产生具有不超过三个有意义的数字的折射率。但是，以下描述的方法使用普通光学装置和设备提供具有四个以上有意义数字的折射率。这种利用从板表面反射的光束的最大间隔距离测量样品折射率的方法相比于传统的折射率测量方法具有更高的精度。

  1. 理论方法

在图1中，光线从空气入射到厚度为e的平面平行板上，光线的入射角为，设样品板的折射率为N. 则从板表面反射的光线之间的距离是[1,2]

（1）

对于=0或者时，从板表面反射的光线之间距离为零。因此，它应该存在最大入射角度（当从板表面反射的光线之间的距离最大时的角度）为，且最大入射角应满足 ，后者的角度是通过求解方程得到的，可以简化为以下形式：

（2）

这个方程，对于N＞1，解为：

（3）

在图2中，对于折射率的数目绘制了归一化距离与入射角的曲线。这些曲线表明，在最大入射角附近的相当宽的角间隔中，从板表面反射的光线之间的距离实际上是恒定的。将等式（3）代入等式（1）后可以得到从板表面反射的光线之间距离的最大值为：

（4）

根据等式（4），当N从1到变化时，光线之间的距离从2e变为零。此外，对于，等式（4）可以近似于：

（5）

图1 计算平面平行板表面反射光线之间距离

图2 平面平行板的表面反射的光线之间的归一化距离，与入射角的折射率曲线

设

全文共7303字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[12628]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章