基于回音壁模式的光纤压力传感器的设计及实验研究(编辑修改稿)

基于回音壁模式的光纤压力传感器的设计及实验研究(编辑修改稿)内容摘要：

通过检测被调制的光参数的变化来检测出待测信号 [2]。 河南科技大学毕业论文 7 167。 光纤压力传感器 光纤传感器由光源、入射光纤、出射光线、光调制器、光探测器以及解调器组成。 其基本原理是当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量 (振幅、相位 、偏振态、波长等 )，会由于被测叁量 (温度、压力、加速度、电场、磁场等 )对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解凋器从而获得被测参量的参数，当这信号为压力时，即构成光纤压力传感器。 光纤压力传感器与传统的压力传感器相比，具有无可比拟的优势，它具有灵敏度高、耐高温、抗电磁干扰、防爆、耐腐蚀、耐水性好、安全可靠等特点，特别适用于超长距离或恶劣环境下使用。 反射式光纤传感器突出特点是技术简单、性能可靠、价格低廉，因此反射式光纤传感器的实际应用范围 非常广泛。 尤其是在微小位移、微弱振动、油罐液位、油层厚度、零件镀层的不平度、零件的椭圆度和锥度及偏斜度、角度变化量、温度等方面得到了更为广泛应用 [3]。 根据光纤在测试系统中的应用，光纤压力传感器可分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器两种，功能型光纤压力传感器是在外界压力作用下对光纤自身的某些光学特性 (如强度，相位等 )进行调制，调制区在光纤之内，光纤同时具有“感知”和“传输”两种功能，因此又称为内调制光纤压力传感器或者传感型光纤压力传感器。 而非功能型光纤压力传感器是借助其他光学敏感元件来完成传感 功能，调制区在光纤之外，光纤在系统中只起传输作用，因此称之为外调制光纤压力传感器，或者传光型光纤压力传感器 [4]。 按压力对传输光的调制方法进行分类，光纤压力传感器包括强度调制光纤压力传感器（微弯型，投射型，反射型）、频率调制光纤压力传感器、相位调制光纤压力传感器、波长调制光纤压力传感器、偏振调制光纤压力传感器和分布式光纤压力传感器 [4]。 光纤传感器按照被测参量分类包括光线压力传感器、光纤温度传感器、光纤光栅传感器、光纤位移传感器、光纤气体传感器、光纤生物传感器等。 图 11 描述了光线压力传感器基本原理的系 统框架图。 河南科技大学毕业论文 8 光源信号监测耦合器 压力源 图 11 光纤压力传感器系统框图 河南科技大学毕业论文 9 第二章 微球回音壁模式的理论分析 167。 光学微球腔的介绍 在各式各样的光学微结构中，微球形结构近年来逐渐成为人们的研究热点。 若将光学微球置于低于微腔介质折射率的媒质中，光在微腔内以大于临界角的方向传播时会在微腔表面不断发生全反射。 微球将光约束在“赤道”平面附近并沿大圆绕行。 当绕行的光波满足一定的相位匹配时，就可以互相叠加增强，形成一种特殊的光传播模式，这种特殊传播模式被称为回音壁 模式 （ Whispering Gallery Mode，简称 WGM）。 这种模式传播相当于光在一个闭合的谐振腔内振荡，其共振的频率与入射场的模式无关，只决定于微球的折射率和半径，因此这种共振也可以称为形貌共振。 光学谐振在微盘形和微柱形微腔中也可产生，而球形光学微腔中存在的 WGM使其具有一般谐振腔所没有的一些特殊优点。 微球外的光场为近场，是局限于微球表面附近的倏逝波，它是一种非传播波，光场的振幅在径向方向呈指数下降，因此从球内透出到球外的平均能流为零。 这使 WGM下的微球具有很高的品质因子和很小的模式体积，它在线性 和非线性光谱中存在非常窄的共振峰，这就为其在光子学器件中的应用提供了潜力。 在光通信功能器件应用领域，利用光学微球在特定频率下产生谐振的性能，可以实现线性光开关、波长滤波、密集波分复用等光学功能器件 [6]。 光学微球腔是指直径约在 5 微米至 500 微米之间的光学介电微球谐振器，形式有圆柱、圆盘、圆环、球等多种。 由于制备方法不同，所用的介电材料也有所不同，目前应用较多的是使用二氧化硅等光学玻璃制备的球形微腔。 光学微腔的特性来源于其独特的回音壁模式 (光波在微腔内表面上不断进行全反射，从而被约束在腔内并沿腔的周边绕行， 几乎没有能量损失 )，可应用在要求极细线宽，极高能量密度和亮度或极细微探测能力的场合，例如腔体量子电动力学 (CQED)、窄带光学滤波、非线性光学、极低阈值激光器、单光子光学双稳态以及辐射场 QND 测量。 近年来，随着纳米制造技术的发展以及近场耦合技术的提高，光学微腔更是得到日益广泛的研究和应用 [7]。 在回音壁模式中，光子在一个准二维平面内运动，并不断在微腔边界发生全河南科技大学毕业论文 10 反射而不折射出腔，因此一般的回音壁模式微腔形状为近圆形或者多边形，并且在垂直于光场平面的方向存在束缚使得绝大部分能量不在第三个维度发散。 目前几种 比较常见的玻璃材料的回音壁模式微腔 : 微球腔 (Microsphere)， 微盘腔(Microdisk)和微环芯腔 (Microtoroid)。 另外还有微柱腔 (Microcylinder)和微环腔(Microring)也在实验中被广泛研究。 在描述谐振腔的参数中， Q值是一个最基本的参数。 Q值与光能量在腔中的寿命  有关： Q= ，  为谐振频率。 微 球内的 WGM由三个模式数和偏振标记，有径向模式数 n、角向模式数 l及方位角向模式数 m， 偏振有 TE（横电场）和 TM（横磁场）之别。 微球 WGM的场分布在 TE 和TM 偏振下可表示为    1E = ,rn lm l lmrY   (211) 和       2 1E,n lm l lmrYn r r      (212) 其中为矢量球谐函数，均匀微球中，径向函数 l r 和 l r 中满足相同的球 Bessel方程。 在球的尺寸相对波长是很大时，球内的电 场分布在 TE、 TM 下分别近似为角向偏振和径向偏振 [14]，它们近似表为        1, , ,r l lmllE r j nk r Ykr    for TM modes        , , ,s i n l lmmE r j n k r Y     for TE modes 对于 ~1n 、 l 1 及 ~1m 的微球 WGM， WGM 在微球的周界附近沿赤道平面传输。 微盘 WGM 也由三个模式数标记，纵向模式数 p、有径向模式数 n及方位角向模式数 m，不过通常薄微盘的纵向模式 数 p=0，薄微盘 WGM的场也可区分为两种偏振 — TE、 TM 偏振，均匀薄微盘中的纵向场分量可表。