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-文庫吧資料
2024-09-06 11:58本頁面
【正文】 壓力傳感器的設(shè)計(jì)及測試 167。微米尺度微腔可極大程度地改變其附近間的光場漲落和態(tài)密度，從而影響光與物質(zhì)的相互作用如自發(fā)輻射、 Rabi分裂等在理論上有重要意義（腔 量子電動力學(xué) (CQED)）。微腔量子電動力學(xué)計(jì)算說明，在微腔中自發(fā)輻射增強(qiáng)程度與 Q值成正比，與模式體積成反比盡管已經(jīng)有很多關(guān)于回音壁模式綜述文獻(xiàn)，但是其中心一般圍繞傳統(tǒng)光學(xué)及應(yīng)用 [13]。 利用微腔內(nèi)光與原子或者介質(zhì)的強(qiáng)相互作用，可以實(shí)現(xiàn)單光子尺度下的非線性光學(xué)效應(yīng)，制備單光子和糾纏光源，以及實(shí)現(xiàn)量子的光頻率轉(zhuǎn)換。關(guān)于腔機(jī)械和腔量子電動力學(xué)的研究已經(jīng)證明了相干的光子 原子，光子 聲子相互作用。引人注目的是回音壁模式也可以和其他的光電 器件通過波異互聯(lián)，有望應(yīng)用于實(shí)際的高速光信號處理和環(huán)境探測等。 一方面，回音壁模式的高 Q值和可集成的特性使其在集成光學(xué)器件應(yīng)用中有巨大的潛力，例如可用作高效的濾波器，高靈敏度環(huán)境傳感器，低閾值激光器，非線性效應(yīng)，信號延時(shí)器等。同樣由于高 Q，外界環(huán)境的擾動會導(dǎo)致回音壁模式微腔譜線的位置變化顯 著，很容易被觀測到，從而實(shí)現(xiàn)某些特殊的參數(shù)的檢測 [11]。目前使用的耦合器件有棱鏡耦合器、錐形光纖耦合器、斜拋光纖耦合器 [10]，其中由標(biāo)準(zhǔn)通信光纖火焰法拉制的熔錐光纖的通光損耗小于 ，它與微球構(gòu)成的耦合體系的附加損耗很低。 回音壁模式的應(yīng)用 微球腔由于具有高 Q值 ( 90Q 10? )和極小的模體積，處于回廊模下的 微腔雖然具有很高的品質(zhì)因數(shù)，但模式所對應(yīng)于球外的光場分布卻是倏逝波，而不是傳統(tǒng)的法布里 珀羅諧振器那樣的傳播波。微盤 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，不過通常薄微盤的縱向模式 數(shù) p=0，薄微盤 WGM的場也可區(qū)分為兩種偏振 — TE、 TM 偏振，均勻薄微盤中的縱向場分量可表 （ 213） 河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 11 ? ? ? ? ? ?0, jm pzmE r Z z f r e?? ? TM ? ? ? ? ? ?0, jm pH r Z z g r e?? ?? TE 其中 ??0Zz、 ??0Zz? 為場的縱向分布，它們是厚度和盤相同的平板波導(dǎo)中的基縱向模式， ??mfr、 ??mgr則滿足相同的 Bessel方程 [8]。微球 WGM的場分布在 TE 和TM 偏振下可表示為 ? ? ? ?1E = ,rn lm l lmrY? ? ? (211) 和 ? ? ? ? ? ?? ?2 1E,n lm l lmrYn r r ? ? ?? ? ? (212) 其中為矢量球諧函數(shù)，均勻微球中，徑向函數(shù) ??l r? 和 ??l r? 中滿足相同的球 Bessel方程。 Q值與光能量在腔中的壽命 ? 有關(guān)： Q=?? ， ? 為諧振頻率。 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。 在回音壁模式中，光子在一個(gè)準(zhǔn)二維平面內(nèi)運(yùn)動，并不斷在微腔邊界發(fā)生全河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 10 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。光學(xué)微腔的特性來源于其獨(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)微探測能力的場合，例如腔體量子電動力學(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 QND 測量。 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、圓環(huán)、球等多種。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。光學(xué)諧振在微盤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有的一些特殊優(yōu)點(diǎn)。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，簡稱 WGM） 。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)會在微腔表面不斷發(fā)生全反射。 河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 8 光源信號監(jiān)測耦合器 壓力源 圖 11 光纖壓力傳感器系統(tǒng)框圖 河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 9 第二章 微球回音壁模式的理論分析 167。光纖傳感器按照被測參量分類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 。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]。尤其是在微小位移、微弱振動、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]。光纖壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，具有無可比擬的優(yōu)勢，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)，特別適用于超長距離或惡劣環(huán)境下使用。 光纖壓力傳感器 光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光線、光調(diào)制器、光探測器以及解調(diào)器組成。其一般形式利用光纖本身的特性或外加敏感元件，將外界待測信號的變化調(diào)制成光參數(shù)變化，并由光纖傳輸該信息到光電探測器，通過檢測被調(diào)制的光參數(shù)的變化來檢測出待測信號 [2]。光纖傳感技術(shù)主要應(yīng)用在 光強(qiáng)調(diào)制型光 纖傳感器、光相位調(diào)制型光纖傳感器、光偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器、光波長調(diào)制型光纖傳感器及光頻率調(diào)制型光纖傳感器。接收部分的光探測器檢測光信號，并將它變換為電信號形式。發(fā)射部分把待傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換成光信號，接收部分把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸部分把發(fā)射部分發(fā)出的光傳送到接收部分。目前已有測量溫度、壓力、位移、加速度、電流等多種物理量的光纖傳感器問世。 光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為煤質(zhì)，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)。空問受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。 光纖傳感器的原理 光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。 在實(shí)驗(yàn)過程中，制作一個(gè)幾百微米的光纖微球腔，根據(jù)壓力傳感器的基本原理 ，設(shè)計(jì)了基于回音壁模式的光纖壓力傳感器來研究光強(qiáng)隨著壓力改變的變化規(guī)
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