開題答辯演講稿

各位老師各位同學(xué)，下午好，我的課題名稱是“基于光纖環(huán)鏡的高靈敏濕度傳感器的研究”，我的導(dǎo)師是金永興老師。今天我的主講內(nèi)容分別從以下五個方面展開。第一部分是引言。首先講一下保偏光纖技術(shù)進(jìn)展。保偏光纖由于對線偏振光具有較強(qiáng)的偏振保持能力，并且與普通單模光纖有良好的相容性，因而在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中得到了越來越廣泛應(yīng)用。它的主要結(jié)構(gòu)有熊貓型、橢圓纖芯型等。隨著技術(shù)的發(fā)展，幾何型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的PMF如邊槽型等相繼被淘汰，而應(yīng)力感應(yīng)型的PMF如熊貓型等則得到了長足的發(fā)展。自20世紀(jì)70年代以來，各國都在競相研究和開發(fā)高性能的PMF。到現(xiàn)在為止，熊貓型PMF以其制造工藝相對簡單、偏振保持特性優(yōu)良、損耗較低等優(yōu)點得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。隨著光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，特別是90年代以來，PMF偏振器技術(shù)研究取得了重大突破，為相關(guān)的光纖傳感器的實用化提供了技術(shù)保障。接下來是光纖環(huán)鏡器件的發(fā)展概述。光纖環(huán)鏡是一種最簡單且具有寬帶特性的基于光纖耦合器的干涉結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將一個2×2耦合器同側(cè)的兩端口用單模光纖連接起來構(gòu)成環(huán)形狀即為一個FLM，光信號則從耦合器另側(cè)端口進(jìn)入。光信號進(jìn)入光纖環(huán)鏡后被分為兩束相向傳播的光束，而將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓這兩束光在同一個環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會合產(chǎn)生干涉，這就是Sagnac效應(yīng)。光纖環(huán)鏡作為一種非常靈活的光纖干涉結(jié)構(gòu)，在光纖傳感領(lǐng)域有眾多的應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的光纖應(yīng)用技術(shù)，是利用光纖作為載光媒介或光信號的調(diào)制器，對傳輸光的某一特性根據(jù)被測量參數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)制，然后檢測出其變化的一種傳感技術(shù)。大家都知道，光纖受到外界的壓力等因素變化時，光纖內(nèi)部傳播的光的相位或強(qiáng)度將相應(yīng)地發(fā)生變化，如果對光纖內(nèi)傳播的光的相位或振幅變化加以測量，即可測出壓力及其它參數(shù)的值。在此基礎(chǔ)上，可以制作出濕度傳感器。下一部分是光纖濕度傳感器的現(xiàn)狀研究。濕度是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中一個重要的物理量，對濕度傳感器的環(huán)境適應(yīng)性以及測量范圍、響應(yīng)速度、測量精度等主要指標(biāo)的要求也越來越高。而所謂濕度，就是空氣中所含水蒸氣的量，常用相對濕度來表示。濕度傳感器的種類很多，在這里我只列舉了三種給大家講解。第一種是光纖傳光式濕度傳感器，而光敏薄膜式濕度傳感器是光纖傳光式濕度傳感器中較為典型的一種傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。光敏薄膜固定在兩塊帶孔的塑料薄片之間，插入1cm的比色皿中，即形成三明治式的光敏薄膜式濕度傳感器，將此傳感器固定在分光光度計的樣品池架上，讓光路通過光敏薄膜，進(jìn)行測量。光纖傳光式濕度傳感器的基本工作原理是：當(dāng)不同濕度的空氣與濕敏薄膜接觸后，濕敏薄膜的光學(xué)參數(shù)會發(fā)生改變，通過測量濕敏薄膜光學(xué)參數(shù)的變化即可獲得相應(yīng)的濕度。第二種是光纖傳感式濕度傳感器。光纖傳感式濕度傳感器是以光纖作為敏感物質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。先將單模光纖的中間部分拉制成錐形，且錐形的束腰直徑保持一定距離不變，束腰處外包層采用ESA（靜電自組裝）材料，再在外包層涂覆一層濕敏雙層復(fù)合聚合物材料，其厚度為t。光纖傳感式濕度傳感器的測量原理是：測量時將光輸入光纖，光纖包層采用紫外光固化，其相關(guān)損耗只與溫度有關(guān)，而光在錐形結(jié)構(gòu)處的損耗還與外包層、涂覆層的厚度、濕度有關(guān)，通過光纖輸出功率檢測就可獲得相應(yīng)的濕度。第三種是光纖光柵式濕度傳感器，它的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)可消除溫度對傳感器的影響。光纖光柵溫度傳感器由對溫度、濕度敏感的光纖布拉格光柵FBG1與僅對溫度敏感的FBG2串聯(lián)構(gòu)成，F(xiàn)BG1的涂覆層為聚酰亞胺(PI)濕敏薄膜。該傳感器的工作原理為：溫度和濕度的變化使FBG的布拉格反射波長和發(fā)生漂移，變化量分別為和，由此可計算出溫度、濕度變化值。第三部分是本課題提出的初始方案，首先是特殊結(jié)構(gòu)的保偏光纖傳感頭設(shè)計。保偏光纖是一種特殊的單模光纖，通過在纖芯兩側(cè)施加應(yīng)力使纖芯中在特定的方向上存在折射率差，形成較高的雙折射，因此保偏光纖又稱為高雙折射光纖。在光纖環(huán)鏡中加入一段保偏光纖，便可形成保偏光纖環(huán)鏡，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在本課題的研究中均為低功率信號、保偏光纖長度相對較短的情況，因此可以忽略自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng)引起的相移，以及耦合器和光纖的損耗。設(shè)輸入功率沿順時針方向傳輸?shù)牟糠终既抗β实谋戎禐镵，則前向和后向傳輸光場分別是A1和A2。利用光纖耦合器的傳輸矩陣可知，若FLM采用3dB耦合器，即，則所有輸入光將全部被反射。接下來是基于保偏光纖環(huán)鏡的濕度傳感器設(shè)計研究。在本課題的實驗中，將一定長度的保偏光纖用高濃度的氫氟酸腐蝕一段時間，使保偏光纖的包層變薄，然后在其表面涂覆一層濕敏材料（PVA）。所組成的濕度傳感器裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。光在保偏光纖內(nèi)傳播時，由快軸和慢軸引起的相位差為δ，其中為保偏光纖的雙折射，、分別為保偏光纖快軸與慢軸的有效折射率；為長度，為波長。忽略耦合器和保偏光纖形成光纖環(huán)鏡的插入損失，輸出端光譜儀接收的透射譜，近似于一個周期函數(shù)Tr，而波長間距為。當(dāng)外界的濕度變化時，濕度敏感的材料的折射率會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致耦合到保偏光纖纖芯中的導(dǎo)模發(fā)生變化，最終使得輸出的傳輸光譜有所不同。利用光譜儀檢測傳輸光譜的損耗峰移動，即可得到周圍環(huán)境的濕度大小。接下來第四部分講一下課題的主要研究內(nèi)容和需解決問題。主要研究內(nèi)容分三點：如何消除溫度等環(huán)境因素對光纖環(huán)鏡的影響；如何制作對溫度不敏感的光纖濕度傳感器；優(yōu)化濕度傳感器結(jié)構(gòu)。需解決的問題有：如何控制腐蝕光纖的速度和時間；如何解決溫度和其他所測參量交叉敏感；如何熔接保偏光纖與單模光纖，搭建實驗?zāi)Ｐ?/p>