基于回音壁模式的光纖壓力傳感器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究(編輯修改稿)
2025-07-24 20:38 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 等)對(duì)光纖的作用而發(fā)生變化，從而引起光波的強(qiáng)度、干涉效應(yīng)、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光探測(cè)器和解凋器從而獲得被測(cè)參量的參數(shù)，當(dāng)這信號(hào)為壓力時(shí)，即構(gòu)成光纖壓力傳感器。光纖壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，它具有靈敏度高、耐高溫、抗電磁干擾、防爆、耐腐蝕、耐水性好、安全可靠等特點(diǎn)，特別適用于超長(zhǎng)距離或惡劣環(huán)境下使用。反射式光纖傳感器突出特點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉，因此反射式光纖傳感器的實(shí)際應(yīng)用范圍非常廣泛。尤其是在微小位移、微弱振動(dòng)、油罐液位、油層厚度、零件鍍層的不平度、零件的橢圓度和錐度及偏斜度、角度變化量、溫度等方面得到了更為廣泛應(yīng)用[3]。根據(jù)光纖在測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用，光纖壓力傳感器可分為功能型光纖壓力傳感器和非功能型光纖壓力傳感器兩種，功能型光纖壓力傳感器是在外界壓力作用下對(duì)光纖自身的某些光學(xué)特性(如強(qiáng)度，相位等)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制區(qū)在光纖之內(nèi)，光纖同時(shí)具有“感知”和“傳輸”兩種功能，因此又稱為內(nèi)調(diào)制光纖壓力傳感器或者傳感型光纖壓力傳感器。而非功能型光纖壓力傳感器是借助其他光學(xué)敏感元件來(lái)完成傳感功能，調(diào)制區(qū)在光纖之外，光纖在系統(tǒng)中只起傳輸作用，因此稱之為外調(diào)制光纖壓力傳感器，或者傳光型光纖壓力傳感器[4]。按壓力對(duì)傳輸光的調(diào)制方法進(jìn)行分類(lèi)，光纖壓力傳感器包括強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器（微彎型，投射型，反射型）、頻率調(diào)制光纖壓力傳感器、相位調(diào)制光纖壓力傳感器、波長(zhǎng)調(diào)制光纖壓力傳感器、偏振調(diào)制光纖壓力傳感器和分布式光纖壓力傳感器[4]。光纖傳感器按照被測(cè)參量分類(lèi)包括光線壓力傳感器、光纖溫度傳感器、光纖光柵傳感器、光纖位移傳感器、光纖氣體傳感器、光纖生物傳感器等。圖11描述了光線壓力傳感器基本原理的系統(tǒng)框架圖。圖11 光纖壓力傳感器系統(tǒng)框圖第二章 微球回音壁模式的理論分析167。 光學(xué)微球腔的介紹 在各式各樣的光學(xué)微結(jié)構(gòu)中，微球形結(jié)構(gòu)近年來(lái)逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。若將光學(xué)微球置于低于微腔介質(zhì)折射率的媒質(zhì)中，光在微腔內(nèi)以大于臨界角的方向傳播時(shí)會(huì)在微腔表面不斷發(fā)生全反射。微球?qū)⒐饧s束在“赤道”平面附近并沿大圓繞行。當(dāng)繞行的光波滿足一定的相位匹配時(shí)，就可以互相疊加增強(qiáng)，形成一種特殊的光傳播模式，這種特殊傳播模式被稱為回音壁模式（Whispering Gallery Mode，簡(jiǎn)稱WGM）。這種模式傳播相當(dāng)于光在一個(gè)閉合的諧振腔內(nèi)振蕩，其共振的頻率與入射場(chǎng)的模式無(wú)關(guān)，只決定于微球的折射率和半徑，因此這種共振也可以稱為形貌共振。光學(xué)諧振在微盤(pán)形和微柱形微腔中也可產(chǎn)生，而球形光學(xué)微腔中存在的WGM使其具有一般諧振腔所沒(méi)有的一些特殊優(yōu)點(diǎn)。微球外的光場(chǎng)為近場(chǎng)，是局限于微球表面附近的倏逝波，它是一種非傳播波，光場(chǎng)的振幅在徑向方向呈指數(shù)下降，因此從球內(nèi)透出到球外的平均能流為零。這使WGM下的微球具有很高的品質(zhì)因子和很小的模式體積，它在線性和非線性光譜中存在非常窄的共振峰，這就為其在光子學(xué)器件中的應(yīng)用提供了潛力。在光通信功能器件應(yīng)用領(lǐng)域，利用光學(xué)微球在特定頻率下產(chǎn)生諧振的性能，可以實(shí)現(xiàn)線性光開(kāi)關(guān)、波長(zhǎng)濾波、密集波分復(fù)用等光學(xué)功能器件[6]。光學(xué)微球腔是指直徑約在5微米至500微米之間的光學(xué)介電微球諧振器，形式有圓柱、圓盤(pán)、圓環(huán)、球等多種。由于制備方法不同，所用的介電材料也有所不同，目前應(yīng)用較多的是使用二氧化硅等光學(xué)玻璃制備的球形微腔。光學(xué)微腔的特性來(lái)源于其獨(dú)特的回音壁模式(光波在微腔內(nèi)表面上不斷進(jìn)行全反射，從而被約束在腔內(nèi)并沿腔的周邊繞行，幾乎沒(méi)有能量損失)，可應(yīng)用在要求極細(xì)線寬，極高能量密度和亮度或極細(xì)微探測(cè)能力的場(chǎng)合，例如腔體量子電動(dòng)力學(xué)(CQED)、窄帶光學(xué)濾波、非線性光學(xué)、極低閾值激光器、單光子光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)以及輻射場(chǎng)QND測(cè)量。近年來(lái)，隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展以及近場(chǎng)耦合技術(shù)的提高，光學(xué)微腔更是得到日益廣泛的研究和應(yīng)用[7]。 在回音壁模式中，光子在一個(gè)準(zhǔn)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并不斷在微腔邊界發(fā)生全反射而不折射出腔，因此一般的回音壁模式微腔形狀為近圓形或者多邊形，并且在垂直于光場(chǎng)平面的方向存在束縛使得絕大部分能量不在第三個(gè)維度發(fā)散。目前幾種比較常見(jiàn)的玻璃材料的回音壁模式微腔: 微球腔(Microsphere)， 微盤(pán)腔(Microdisk)和微環(huán)芯腔(Microtoroid)。另外還有微柱腔(Microcylinder)和微環(huán)腔(Microring)也在實(shí)驗(yàn)中被廣泛研究。在描述諧振腔的參數(shù)中，Q值是一個(gè)最基本的參數(shù)。Q值與光能量在腔中的壽命有關(guān)：，為諧振頻率。微球內(nèi)的WGM由三個(gè)模式數(shù)和偏振標(biāo)記，有徑向模式數(shù)n、角向模式數(shù)l及方位角向模式數(shù)m，偏振有TE（橫電場(chǎng)）和TM（橫磁場(chǎng)）之別。微球WGM的場(chǎng)分布在TE 和TM 偏振下可表示為 (211) 和 (212)其中為矢量球諧函數(shù)，均勻微球中，徑向函數(shù) 和 中滿足相同的球Bessel方程。在球的尺寸相對(duì)波長(zhǎng)是很大時(shí)，球內(nèi)的電場(chǎng)分布在TE、TM 下分別近似為角向偏振和徑向偏振[14]，它們近似表為（213） for TM modes for TE modes 對(duì)于、1 及 的微球WGM，WGM 在微球的周界附近沿赤道平面?zhèn)鬏?。微盤(pán)WGM 也由三個(gè)模式數(shù)標(biāo)記，縱向模式數(shù)p、有徑向模式數(shù)n及方位角向模式數(shù)m，
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