院硕士学位论文提出种基于单模单模单模腰锥放大结构的光纤应变和湿度传感器。当应变作用在传感器上时，透射谱中的干涉波长发生很小的漂移，但是干涉光谱的强度变化较大，因此利用强度解调的方法，分析得到应变参数的信息当湿度作用于传感器时，透射谱的干涉波长向长波长方向漂移，利用波长解调的方法，分析得到湿度参数的信息。首先简单介绍了单模多模单模结构光纤传感器的原理和研究进展，然后将普通的单模多模单模结构和腰锥放大的单模多模单模结构进行对比，发现基于的腰锥放大熔接技术的单模多模单模结构光纤传感器比普通的单模多模单模结构光纤传感器操作更简单灵敏度更高干涉谱更好，这与模拟结果相致。提出种基于腰锥放大熔接的单模多模单模结构折射率和湿度传感器。当传感器置于不同折射率的液体中时，透射谱中的干涉波长向短波长方向漂移，利用波长解调的方法，分析得到外界折射率参数的信息当湿度作用于传感器时，透射谱的干涉波长向长波长方向漂移，利用波长解调的方法，分析得到湿度参数的信息。最后对本论文所研究的内容进行总结，描述了创新点和有待解决的问题，并根据目前的研究情况提出了后续的研究方向。本论文的研究意义作为种新型的传感器，光纤传感器逐渐受到了很多关注。光纤传感器由于具有灵敏度高抗电磁干扰电绝缘耐腐蚀远距离传输等优点，有了迅速的发展，具有广泛的应用前景，如土木结构的安全检测行业军事领域生物医学领域工业制造行业等。光纤传感器是物联网蓬勃发展的重要技术手段，具有不可替代的作用。本论文主要研究了基于腰锥放大的光纤传感器，设计并提出了两种基于该结构的光纤传感器，可以实现多种参数的测量。本论文设计并提出了种基于单模单模单模腰锥放大结构的应变和湿度光纤传感器，这种光纤传感器具有结构简单成本低灵敏度高的特点种基于单模多模单模腰锥放大结构的折射率和湿度光纤传感器，这种光纤传感器与普通的结构光纤传感器相比，具有结构稳定操作简单灵敏度高的特点。万方数据中国计量学院硕士学位论文基于腰锥放大的干涉光纤传感器引言光纤传感器作为种新型的传感技术，有了迅速的发展，并在各个领域展现出了巨大的应用前景。在各种类型的光纤传感器中，干涉型的光纤传感器占很大部分，主要是由于这类光纤传感器具有灵敏度高传感探头灵活多样测量对象广泛等优点。干涉型光纤传感器是相位调制型的种，是利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测不同的物理参量。干涉光纤传感器的概述根据传统的光学原理，目前已经研究制成的干涉型光纤传感器有马赫泽德光纤干涉仪赛格耐克环形光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪法布里珀罗光纤干涉仪，其结构如图所示。马赫泽德干涉仪赛格耐克环形干涉仪迈克尔逊干涉仪万方数据中国计量学院硕士学位论文法布里珀罗干涉仪图四种典型的干涉型光纤传感器结构示意图早在年，研究员就对基于干涉的光纤传感器开始了探索和研究。干涉是双光束干涉，由于此类的光纤传感器具有测量精度高易于调整成本低等优点，因此此类的光纤传感器不但广泛应用在分布式光纤传感中，还应用在点式测量传感中。在年第次提出基于干涉型的光纤传感器，应用于压力和温度的测量。等研究员随后在以前的基础上进行了研究。而且，为了实现不同参数的测量，提出多通道的干涉型光纤传感器。在年发表了关于多模波导内模式干涉效应的文章，文章主要对传输光场的变化和自成像现象等理论进行详细的推导和分析。ć和š在年提出种利用单模光纤和阶跃型多模光纤构成的光纤结构内多模干涉现象的光纤微弯传感器。随后，各种基于结构的光纤传感器引起了人们广泛的研究兴趣，并且取得了很多的研究成果。例如利用阶跃式多模光纤代替梯度型多模光纤，对多模光纤进行腐蚀，拉锥等后期加工处理等。在结构中，由于单模光纤和多模光纤的纤芯模场不匹配，因此在单模光纤中传输的光耦合进多模光纤时，在多模光纤内能激发多个模式。利用这个现象可制成各种微小的马赫泽德光纤传感器。近年来，通过直接对单模光纤进行处理，光纤内的光可在处理点分光并进行干涉，用这种方法制成的光纤内马赫泽德干涉传感器得到了广泛的研究。万方数据中国计量学院硕士学位论文等人将单模光纤拉锥，制成基于双锥结构的马赫泽德干涉仪，。他还通过错位熔接，制成了马赫泽德干涉仪，其结构分别如图所示。等人利用二氧化碳激光器对单模光纤进行辐射或放电，使单模光纤的包层和纤芯产生微弯，这样纤芯内的光会耦合进包层，并且能重新耦合进纤芯。等人在年用激光器在单模光纤的纤芯上打孔，制成了新型的马赫泽德干涉仪。拉锥结构错位熔接结构图光纤内马赫泽德干涉传感器的两种结构示意图干涉光纤传感器的原理及解调方法光源发出的光，经耦合器分为两束光分别进入马赫泽德干涉仪的两根长度基本相同的光纤即马赫泽德干涉仪的两臂，其中根为传感臂，另根为参考臂。从两根光纤输出的两束光在第二个耦合器中发生干涉效应，输出的干涉光被光电探测器接收。用作传感器时，传感头就是作为传感臂的光纤，传感臂置于被测环境中，参考臂置于除了被测量不同，其他参数与被测环境相同的环境中作为参考。对信息进行处理，通过比较参考臂和传感臂两束光的不同，就可以得到被测量的信息。模间干涉就是光纤内传输的模式之间发生干涉，对干涉光谱进行分析就可获得外界被测参数的信息。主要分为两类类是单模光纤通过拉锥腰锥放大错位熔接等方法，使纤芯内传输的光部分耦合到包层。当包层模重新耦合到纤芯时与纤芯内的芯模发生干涉，称为光纤内马赫泽德干涉。另类是将单模光纤与多模光纤熔接，当单模光纤内传输的光耦合到多模光纤内时，多模光纤的纤芯中会激发出多种模式，这些模式之间会发生干涉。我们设计的基于腰锥放大结构的光纤传感器就同时体现出了这两种模间干涉的现象。由双光束干涉的原理可知，光纤内马赫泽德干涉主要是芯模和包层模之间的干涉，因此，马赫泽德干涉仪所产生的干涉场的干涉光强为万方数据中国计量学院硕士学位论文其中，表示芯模的光强，表示包层模的光强，表示传感光纤的长度，表示空气中自由空间的光波长，表示芯模的有效折射率，表示包层模的有效折射率。从公式可知，当相位为的整数倍时，干涉场的光强达到极小值。即当时，可得到，干涉光强极小时所对应的波长为由公式和可知，干涉图形的强度和对应的波长与传感光纤的纤芯与包层的有效折射率光纤长度等参数有关。干涉图形会随传感光纤的相关参数发生变化。多模干涉的干涉原理为，在单模光纤的纤芯中，光是以基模传输，模场分布为，。当光从单模光纤进入多模光纤时，多模光纤的纤芯中会激发多个模式。由于光纤的圆对称性，激发出的模式为线性极化径向模为整数，模场分布为，忽略辐射模，模场分布可表示为，其中，为基模的激发系数，表示基模在进入多模光纤时所激发的模式数，表示多模光纤的纤芯半径，和分别表示多模光纤的纤芯和包层折射率。当光在多模光纤中的传输距离为时，模场分布可表示为，表示多模光纤中本征模的纵向传播常数。在多模光纤与单模光纤的熔接点，不同的模式发生干涉，并耦合进单模光纤。干涉光强度为万方数据中图分类号学校代码密级公开硕士学位论文基于腰锥放大光纤传感器的研究作者安佳丽导师金永兴教授申请学位工学硕士培养单位中国计量学院学科专业光学工程研究方向光纤传感技术及应用二〇四年三月万方数据，万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留使用学位论文的规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名导师签名万方数据致谢研究生生活转瞬即逝，在毕业之际，瑾借此机会向我的老师父母亲朋好友及同学表示衷心地感谢。首先，要深深的感谢我的导师金永兴教授。从论文的选题研究工作的进展及论文的完成都倾注了导师的细心指导。在我攻读硕士学位期间，导师在学习上和生活上都给了我很大的帮助。导师以其严谨的治学风格渊博的学术知识开阔的思维对待科研教育认真负责创新的态度，使我受益匪浅。谨此向金永兴老师表示我衷心的谢意和敬意。其次，感谢光电分院众位老师给予了我不管是生活上还是学习上的指导和关怀，感谢同窗之间无私的关心和热情的帮助，。再次，要感谢本专业的其他同学以及各位师兄师姐师弟师妹，有了同学间的共勉与互助，使我不断的进步。同时感谢所有支持理解我的亲人和朋友。最后，要特别感谢我的父母，在我读硕士研究生阶段给予我的帮助和鼓励，是他们无微不至的关怀和支持，让我能顺利完成硕士研究生阶段的学业。安佳丽年月万方数据基于腰锥放大光纤传感器的研究摘要本文主要研究了基于腰锥放大熔接技术的光纤传感器及其在应变湿度等物理量测量上的应用。基于腰锥放大的光纤传感器，不仅具有普通光纤传感器的抗电磁干扰耐腐蚀体积小等优点，而且其结构简单，成本低廉，易于加工。本文对基于腰锥放大光纤传感器所涉及的相关原理进行了介绍，并将腰锥放大熔接技术和结构相结合设计种新型的光纤传感器，最后以基于腰锥放大光纤结构应变传感器湿度传感器折射率传感器为例，探讨了基于腰锥放大光纤传感器在各传感领域的应用。本文的主要工作内容如下首先对马赫泽德干涉原理进行了分析，为后续光纤传感器的设计研究提供了重要的理论依据。然后介绍了马赫泽德干涉型光纤传感器的两种主要解调方法波长解调法和强度解调法。运用数值模拟方法，对腰锥放大光纤结构激发的包层模进行了模拟分析，并分析了在不同腰锥直径大小和腰锥长度条件下，腰锥放大结构激发包层模的情况。然后介绍了基于腰锥放大的马赫泽德干涉型光纤应变和湿度传感器，在ε应变测量范围内该传感器的应变灵敏度为ε，在湿度测量范围内该传感器的湿度的灵敏度为。对结构的原理进行分析，并结合马