关键词：
渐变折射率光纤
光纤干涉传感器
高灵敏度MZI
矢量扭转传感
矢量弯曲传感
摘要：
光纤干涉传感器在地质检测、隧道监测、智能制造、人体活动识别、光学系统测试中已得到广泛应用。选取不同波导结构的光纤构造的干涉仪已有较多研究,而渐变折射率光纤尚未在干涉传感领域广泛应用,因为渐变折射率光纤的模式色散较小,其构成的干涉仪传感区域过长,难以实用。然而,渐变折射率光纤具有特殊的色散特性,使其构成的干涉仪具有优异的传感性能;渐变折射率光纤内部掺杂着传感性质异于二氧化硅的材料,使其有望解决光纤干涉传感器的串扰问题;渐变折射率光纤具有独一无二的光场传输轨迹,使其在高灵敏度矢量扭转、矢量弯曲干涉传感器的设计上具有潜能。因此,渐变折射率光纤干涉仪具有研究价值。本论文对基于渐变折射率光纤构造的干涉传感器进行了系统性的研究,在解决传感器难以产生较大光程差、所需传感区域过长、实用性差的瓶颈问题后,面向不同的检测需求,设计多种新型高灵敏度光纤干涉传感器。本论文具体的工作包括:（1）渐变折射率光纤干涉传感器实用化研究提出一种光纤级联结构方案,利用七芯光纤对渐变折射率光纤注光构造马赫-曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer,MZI）。在七芯光纤中两束光能量得到平均分配,并积累到足够的光程差。在渐变折射率光纤中,平均群速度差被大幅降低。两种光纤实现功能互补,构造出具有实用性的高灵敏度紧凑型传感器。实验结果表明,当渐变折射率光纤长度不超过2 dm时,传感器干涉谷半高宽均低于30 nm、谷深度接近10 d B。传感器最大应变灵敏度为20.71 pm/με、温度灵敏度为261.14 pm/℃。基于光纤级联结构的传感器设计方案同时完成了降低传感区域长度、降低谷宽度、提升谷深度、维持高灵敏度特性等多方面目标,推动渐变折射率光纤干涉传感器的实用化进展,为后续多种基于光纤级联结构方案的新型传感器设计提供研究基础。（2）渐变折射率光纤干涉传感器传感检测性能提升研究提出一种通过改变光传输模式进一步降低群速度差的增敏方案,在对渐变折射率光纤的色散特性进行仿真分析后,选择合适参数的环形芯光纤对渐变折射率光纤注光构造MZI。激发指定的两个相邻高阶模式发生干涉,使可以群速度差趋近于零,大幅提升应变与温度传感灵敏度。实验结果表明,传感器具有176.4 pm/με的应变灵敏度与1174.6 pm/℃的温度灵敏度,实现大幅增敏,性能与同类文献相比较为优异。（3）渐变折射率光纤干涉传感器传感检测准确度提升研究提出一种通过对应变响应正负相反的光纤级联结构,实现应变降敏以提升曲率传感检测准确度。选择合适参数的渐变折射率光纤级联阶跃折射率光纤构造MZI,两段光纤中因应变所产生的光程差变化量相互抵消,降低了应变传感灵敏度。实验结果表明,当两光纤长度分别为14.35 cm与4 cm时,传感器对应变不敏感,应变传感灵敏度仅为-0.097 pm/με。此时曲率传感灵敏度为-21.97 nm/m,传感器的曲率-应变交叉灵敏度为4.415*10 m/με,降低到了目前已报道研究的最低水平。（4）渐变折射率光纤干涉传感器二维矢量扭转检测研究提出一种通过增大两模式传输轨迹差异,提升模式间对扭转响应差异的矢量扭转增敏方案。选择施加预扭转的偏双芯光纤对渐变折射率光纤注光构造MZI,激发沿轴传输的低阶子午射线与离轴传输的高阶偏射线发生干涉,增大扭转传感灵敏度。并对渐变折射率光纤施加预扭转,实现识别扭转方向的功能。实验结果表明,传感器在两个扭转方向上分别达到4 nm/（rad/m）与-4.1 nm/（rad/m）的灵敏度,成功实现高灵敏度矢量扭转检测。（5）渐变折射率光纤干涉传感器二维矢量弯曲检测研究提出一种基于渐变折射率光纤与无芯光纤自聚焦效应的新型矢量弯曲传感方案,以解决传统方案灵敏度提升受光纤几何结构制约的问题。选择渐变折射率光纤对无芯光纤注光构造MZI,施加到传感器上的矢量弯曲可以定向调控渐变折射率光纤中的光传输轨迹,使其对无芯光纤注光的径向位置定向偏移,实现弯曲方向识别功能。实验结果表明,传感器在两个弯曲方向上分别具有-17.5 nm/m与15.8 nm/m的灵敏度,成功实现高灵敏度矢量弯曲检测。
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