基于回音壁模式的光纖壓力傳感器的設(shè)計及實驗研究-在線瀏覽
2024-08-07 20:38本頁面
【正文】 抗電磁干擾、抗雷擊、不怕漏水漏電、耐腐蝕、耐高溫高壓、不存在零漂問題、便于組網(wǎng)以及長距離傳輸?shù)纫幌盗歇毺貎?yōu)勢，因此利用光纖傳感器進行地震前兆觀測是一種獨具優(yōu)勢的地震監(jiān)測新手段。由此看來，設(shè)計并研究光纖壓力傳感器具有相當重要的意義和價值。另外，在各式各樣的光子學(xué)微結(jié)構(gòu)中，微球形結(jié)構(gòu)近年來逐漸成為人們的研究熱點。微球?qū)⒐饧s束在“赤道”平面附近并沿大圓繞行。光學(xué)微腔是具有極高品質(zhì)因數(shù)和極低模式體積的光學(xué)介電諧振器，由于回音壁模 式的高品質(zhì)因數(shù)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。由于法布里珀羅(FP)腔體尺寸較大，不易于集成，并且高反射率的腔鏡造價高昂且需要復(fù)雜的穩(wěn)定裝置，這些都嚴重限制了FP腔的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代微納加工技術(shù)的發(fā)展, 以及材料制備手段的進步， 回音壁模式已經(jīng)在各種不同材料的微腔中實現(xiàn)，包括各種玻璃，聚合物，晶體和半導(dǎo)體等材料，而腔的形狀也是多種多樣，例如球形，盤形，多邊形柱形等，這樣使得回音壁模式具有越來越廣泛的應(yīng)用。第一章 光纖壓力傳感器的介紹167。光纖具有許多優(yōu)良特性，光纖工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆。因此，光纖傳感器技術(shù)一問世就受到極大重視，幾乎在各個領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。它具有抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、重量輕、能在惡劣環(huán)境下工作等一系列優(yōu)點, 因而具有廣泛的應(yīng)用前景。一般的光纖傳感系統(tǒng)包括發(fā)射部分、傳輸部分、接收部分。發(fā)射部分的光源產(chǎn)生光信號，它是信息的載波。光纖傳感檢測的基本原理就是利用光纖中的光波參數(shù)（如光強、頻率、波長、相位以及偏振態(tài)等）隨外界被測參數(shù)的改變而變化的規(guī)律，通過測量這些光波參數(shù)來實現(xiàn)對外界物理量（如折射率、濃度、溫度、應(yīng)力等）的檢測，它是光纖在非通信領(lǐng)域中的重要應(yīng)用[2]。從廣義上講，凡是采用了光導(dǎo)纖維的傳感器均可稱為光纖傳感器。 167。其基本原理是當光波在光纖中傳輸時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)，會由于被測叁量(溫度、壓力、加速度、電場、磁場等)對光纖的作用而發(fā)生變化，從而引起光波的強度、干涉效應(yīng)、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光探測器和解凋器從而獲得被測參量的參數(shù)，當這信號為壓力時，即構(gòu)成光纖壓力傳感器。反射式光纖傳感器突出特點是技術(shù)簡單、性能可靠、價格低廉，因此反射式光纖傳感器的實際應(yīng)用范圍非常廣泛。根據(jù)光纖在測試系統(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光纖自身的某些光學(xué)特性(如強度，相位等)進行調(diào)制，調(diào)制區(qū)在光纖之內(nèi)，光纖同時具有“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。按壓力對傳輸光的調(diào)制方法進行分類，光纖壓力傳感器包括強度調(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]。圖11描述了光線壓力傳感器基本原理的系統(tǒng)框架圖。 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)近年來逐漸成為人們的研究熱點。微球?qū)⒐饧s束在“赤道”平面附近并沿大圓繞行。這種模式傳播相當于光在一個閉合的諧振腔內(nèi)振蕩，其共振的頻率與入射場的模式無關(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。微球外的光場為近場，是局限于微球表面附近的倏逝波，它是一種非傳播波，光場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。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，可以實現(xiàn)線性光開關(guān)、波長濾波、密集波分復(fù)用等光學(xué)功能器件[6]。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。近年來，隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展以及近場耦合技術(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]。目前幾種比較常見的玻璃材料的回音壁模式微腔: 微球腔(Microsphere)， 微盤腔(Microdisk)和微環(huán)芯腔(Microtoroid)。在描述諧振腔的參數(shù)中，Q值是一個最基本的參數(shù)。微球內(nèi)的WGM由三個模式數(shù)和偏振標記，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）和TM（橫磁場）之別。在球的尺寸相對波長是很大時，球內(nèi)的電場分布在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 對于、1 及 的微球WGM，WGM 在微球的周界附近沿赤道平面?zhèn)鬏敗?67。因此，具有較高效率的耦合方式是通過其它電介質(zhì)物體產(chǎn)生的倏逝波耦合，即近場耦合。利用熔錐光纖作為球諧振腔的輸入輸出耦合器件時，要求熔錐光纖和微球的相位傳播常量匹配。WGM諧振腔的制作工藝簡單且造價低廉，加之集超高Q值與超小模式體積于一身的獨特優(yōu)勢使得其在實際中得到越來越廣泛的應(yīng)用?；匾舯谀Ｊ轿⑶豢梢允褂脴藴实陌雽?dǎo)體加工工藝進行制備，因此不僅能夠高效高精準度的批量生產(chǎn)出單個高品質(zhì)腔，也能制備相互耦合的微腔陣列。另一方面，由于微腔模式體積非常小，即使單個光子也能在腔內(nèi)產(chǎn)生非常強的電場，可以與其他物理體系強相互作用。利用這些相干作用，我們可以將
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