英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于特殊空腔的温度不敏感光纤法布里-珀罗干涉仪用于横向载荷和应变测量
摘要:利用光纤法布里-珀罗干涉仪(FPI)，通过对单模光纤(SMF)、空心光纤(HCF)和几种电弧放电的熔接，实现了光纤的横向载荷和应变的传感。该结构的空腔高度比SMF的包层直径高，因此能够以较高的灵敏度感知横向载荷。该空腔FPI传感器的横向载荷灵敏度为1.31 nm/N，大约是目前的光纤尖端干涉仪(0.2526 nm/N)灵敏度的5倍。同时，该传感器还可以测量应变，并获得了3.29 pm/mu;ε的应变灵敏度。此外，传感器的低温灵敏度(1.08 pm/℃)可以降低温度引起的测量误差。这种新型的空腔FPI可以作为具有温度不敏感特性的高灵敏度横向载荷和应变传感器。
copy;2017美国光学学会
OCIS代码:(060.2370)光纤传感器;(280.4788)光学传感及传感器;(120.2230) 法布里-珀罗。
2参考和链接
1 H. Y. Choi， K. S. Park，S. J. Park，U. C. Paek，B. H. Lee，E. S. Choi，“基于混合式结构法布里-珀罗干涉仪的小型光纤高温感测器”，国立成功大学光学工程研究所硕士论文，《光学快报》第33卷第21期，第2455–2457页(2008)。
2. A. Zhou， B. Qin，Z. Zhu，Y. Zhang，Z. Liu， J. Yang，L. Yuan，“混合式结构光纤法布里-珀罗干涉仪在应变与温度同步测量中的应用”，《光学快报》第39卷第18期，第5267-5270页(2014)。
3. R. M. Andreacute;， S. C. Warren-Smith，M. Becker，J. Dellith，M. Rothhardt，M. I. Zibaii，H. Latifi，M. B. Marques，H. Bartelt，O. Frazatilde;o，“使用聚焦离子束在光纤微尖端上磨出法布里-珀罗腔同时测量温度和折射率”， 《光学学报》第24卷第13期，第14053-14065页(2016)。
4.廖正荣，胡天宇，王德宁，“光纤法布里-珀罗干涉仪腔体的飞秒激光微加工及折射率传感熔接”，高雄大学光学研究所硕士论文，《光学学报》第20卷第20期，第22813-22818页(2012)。
5. J. Tian，Y. Lu，Q. Zhang，M. Han，“基于全硅直线微光纤法布里-珀罗干涉仪的微流控折射率传感器”，《光学学报》第21卷第5期，第6633-6639页（2013）。
6. C. Wu，Z. Liu，A. P. Zhang，B. O. Guan，H. Y. Tam，“c型直线光纤空腔法布里-珀罗干涉仪用于温度不敏感折射率传感”， 《光学学报》第22卷第18期，第21757-21766页(2014)。
7. F. C，Favero，L. Araujo，G. Bouwmans，V. Finazzi，J. Villatoro，V. Pruneri， “高敏感传感光纤中的球状法布里-珀罗微腔”，《光学学报》第20卷第7期，第7112-7118页（2012）。
8. M. S. Ferreira，J. Bierlich，J. Kobelke，K. Schuster，J. L. Santos，O. Frazatilde;o，“基于空心环光子晶体光纤的高灵敏度法布里-珀罗应变传感器的控制”，《光学学报》第20卷第20期，第21946-21952页(2012)。
9. S. Liu，Y. Wang，C. Liao，G. Wang，Z. Li，Q. Wang，J. Zhou，K. Yang，X. Zhong，J. Zhao，J. Tang，“基于改良光纤法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度应变传感器”， 《光学快报》第39卷第7期， 第2121 – 2124页(2014)。
10.吕玉清，吕玉英，王庆，“基于磁流体的空心光子晶体光纤法布里-珀罗磁场传感器”， 《光电学报》第44卷第4期，第899-902页(2012)。
11.G. K. Costa, P. M. Gouvea, L. M. Soares, J. M. Pereira, F. M. Favero, A. M. Braga, P. Palffy-Muhoray, A. C. Bruno, I. C. Carvalho，“光纤法布里-珀罗干涉仪用于应变和磁场传感”， 《光学学报》第24卷第13期， 第14690-14696页(2016)。
https://doi.org/10.1364/OE.25.009443 2017年2月21日收到;2017年4月11日修订;2017年4月11日过审;2017年4月13日刊登
#287216
日报copy;2017
第25卷，第8期| 2017年4月17日|光学学报9444
12. C. Liao, S. Liu, L. Xu, C. Wang, Y. Wang, Z. Li, Q. Wang, D. N. Wang，“用于压力测量的亚微米硅膜基光纤法布里-珀罗干涉仪”，《光学快报》第39卷第10期，第 2827-2830页(2014)。
13. E. Li, G. D. Peng, X. Ding， “基于光纤球形微腔的高空间分辨率光纤干涉应变传感器”，国立成功大学土木工程研究所硕士论文。《应用物理学快报》第92卷第10期， 第101117页(2008)。
14.杜文文，饶玉君，侯玉生，朱婷，“基于由熔接单模光纤构成的微泡的光纤法布里-珀罗干涉仪用于应变测量”，《应用光学》第51卷第8期， 第1033-1036页(2012)。
15. S. Pevec，D. Donlagic，“微型光纤传感器在压力与折射率测量中的应用”，国立台湾大学光学研究所硕士论文，《光学快报》第39卷第21期，第6221-6224页(2002年)。
16. V. R. Machavaram, R. A. Badcock, G. F. Fernando，“用氢氟酸蚀刻法在石英纤维中制造本征光纤法布里-珀罗传感器”。 《传感器与执行机构，A辑：物理传感器》第138 卷第1期，第248 - 260 页(2007)。
17. J. R. Zhao, X. G. Huang, W. X. He, J. H. Chen，“基于法布里-珀罗干涉调制的菲涅耳反射的高分辨率温度不敏感光纤折射率传感器”，《光波技术》第28卷第19期，第2799-2803页(2010)。
18 D. Su, X. Qiao, Q. Rong, H. Sun, J. Zhang, Z. Bai, Y. Du, D. Feng.，“一种基于PVA涂层的光纤法布里-珀罗干涉仪的湿度测量”， 《光学通信》第311、107-110页(2013)。
19. J. S. Santos, I. M. Raimundo, C. M. Cordeiro, C. R. Biazoli, C. A. Gouveia, P. A. Jorge，“湿敏法布里-珀罗干涉法在奈飞离子薄膜上的应用”，国立成功大学光电工程研究所硕士论文。《传感器与执行机构，B辑：化学传感器》第196,99-105页(2014)。
20. J. Ma, J. Ju, L. Jin, W. Jin, D. Wang，“光纤端微腔温度和横向负载传感”，载于《光学学报》第19卷第13期，第12418-12426页(2011)。
21 C. Chen, Y. S. Yu, X. Y. Zhang, R. Yang, C. C. Zhu, C. Wang, Y. Xue, F. Zhu, Q. D. Chen, H. B. Sun.，“用于高温和横向负载测量的紧致型光纤尖端模态干涉仪”， 《光学快报》第38卷第17期， 第3202-3204页(2013)。
22. Q. Chen ， P. Lu，“光纤布拉格光栅及其在温度、湿度传感器中的应用”， 《物理学报B辑：原子、分子与光学物理学报》，L.T. Chen主编(诺瓦科学出版社：2008)， 第235-260页。
1.介绍
近年来，针对温度[1-3]、折射率[4-6]、应变[7-9]、磁场[10,11]、压力[12]等多种传感应用，提出并开发了各种光纤FPI传感器，具有结构紧凑、可靠、稳定、易于制造等优点。一些光纤FPI的制造技术已经被提出，如拼接技术[13-15]，化学蚀刻[16]，以及在光纤末端的涂层[17 - 19]。对于横向载荷、应变、折射率等物理量的传感，强烈的温度依赖性可能会增加温度引起的交叉噪声。为了解决这一问题，可以引入温度补偿，但这会增加系统的复杂性。因此，对温度不敏感光纤传感的研究具有潜在的应用前景。
横向载荷的测量是结构健康监测的重要内容。测量横向载荷的光纤尖端FPI类微腔已经报道了[20]，并且在双波模式下获得了高的横向载荷灵敏度(~1.37 nm/N)和低的温度灵敏度(~2.1 pm/℃)。在双波模式下,这种光纤尖端微腔需要沉浸到一个折射率为1.4的液体中或者在尖端外表面涂上哑光黑色气溶胶涂料使其变黑,然而很明显,这个传感器在测量温度不敏感横向载荷时不方便。
在这项工作中，人们提出了一种由熔合SMF, HCF和几种电弧放电产生的特殊的空气腔FPI用于横向载荷和应变的测量。该传感器获得了较高的横向载荷灵敏度，即1.31 nm/N，在横向载荷测量方面，该传感器的灵敏度大约是光纤尖端模态干涉仪的5倍(在之前的报告[21]中，该传感器的灵敏度为0.2526 nm/N)。除了横向载荷测量外，应变测量的灵敏度为3.29 pm/micro;ε。最后，该传感器具有较低的温度灵敏度(1.08 pm/℃)，比目前流行的光纤布拉格光栅(FBG) (~ 10pm /℃)[22]低约10倍。该传感器可作为一种有前途的横向载荷和应变传感器，具有理想的高响应横向载荷和应变。
N
第25卷，第8期| 2017年4月17日|光学学报9445
2.制作高空腔FPI
该空腔FPI的制作过程如图1所示。首先,将一块以50mu;m为内径和125mu;m为外径的空心光纤HCF, 通过使用光纤电弧熔接器(Fujikura FSM-45PM)拼接到单模光纤SMF上,如图1中（a）所示。为确保HCF气孔没有完全塌陷,如图1(b)中M₁所示，一个形成在光纤的末端面、电弧偏离拼接点120mu;m,将电弧功率降低-100位和电弧持续时间缩短400毫秒的二氧化硅—空气反射面得以应用。 其次, 如图1中（a）所示，极强的电弧放电功率为70位,长电弧持续时间2000毫秒,偏离拼接点150 - 250mu;m从而影响气腔的形状,用于保证HCF的空气孔完全塌陷,剪除。混合结构FPI包含三个反射面,如图1中（b）所示。最后,将单模光纤SMF拼接到空腔末端面，如图1 中(c)所示，使该结构能够实现应变感知，并能在M₃处将光反射降低到最小程度。
图1 (a)、(b)和(c)空气腔FPI制造工艺示意图
这种空腔可用于开发一种有前途的用于横向载荷和应变测量的光纤FPI。如图2所示，通过宽带光源、3dB耦合器和光谱分析仪对该结构的反射光谱进行了观察。长times;高的范围为120times;141mu;m、90times;130mu;m、82times;146mu;m时，自由光谱范围(FSR)分别为10.1nm、13.7nm和14.7 nm，消光比(ER)分别为10dB、10dB和17 dB。此外,长times;高的范围为120times;141mu;m, 90times;130mu;m, 82times;146mu;m时，气泡壁的厚度(M₂和M₃之间的间距)分别为8mu;m,42mu;m 和 55mu;m，与此同时，玻璃的最大直径分别是198mu;m,189mu;m和190mu;m。
在单模光纤SMF和空心光纤HCF熔合拼接之后 , 电弧放电功率为70位,电弧持续时间为2000毫秒,电弧从拼接点偏离250mu;m,再加上一些可以通过融化二氧化硅墙的方式使气泡增大的放电功率为10位的电弧被用来创建120times;141mu;m的气泡。电弧放电功率和电弧持续时间与120times;141mu;m的气泡相同，然后分别用离剪接点150mu;m和200mu;m的电弧来制作尺寸为90times;130mu;m和82times;146mu;m的气泡。在气泡的制作过程中，不断地观察反射光谱，从而很容易地获得合适的熔合拼接器参数，并通过这些合适的参数很容易地建立传感器。
空腔FPI干涉条纹的强度可以表示为
(1)
第25卷，第8期| 2017年4月17日|光学学报9446
式中，I₁和I₂分别为两个空腔界面处的反射光强，phi;为两个反射光之间的相移。空腔干涉条纹FPI的FSR可表示为：
(2)
式中:lambda;为波长，n为空腔内部的空气折射率，L为气泡的空腔长度。
图2 (a)、(b)和(c)产生的气泡的显微镜图像尺寸范围分别为120times;141mu;m(长度times;高度),90times;130mu;m, 82times;146mu;m；(d) - (f)分别为120times;141mu;m(长度times;高),90times;130mu;m, 82times;146mu;m对应的反射光谱
<strong
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</strong
资料编号：[236495]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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。
