光纤U型锥半径对光谱质量影响的理论仿真.pdf
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1、Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(1),19-24 Published Online January 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.141003 文章引用文章引用:李珊珊,丛爱民,白茹冰,任芮昕,黄国锋,李红娟,李敏.光纤U型锥半径对光谱质量影响的理论仿真J.应用物理,2024,14(1):19-24.DOI:10.12677/app.2024.141003 光纤光纤U型锥半径对光谱质量影响的理论仿真型锥半径对光谱质量影响的理论仿真
2、 李珊珊,丛爱民,白茹冰,任芮昕,黄国锋,李红娟,李李珊珊,丛爱民,白茹冰,任芮昕,黄国锋,李红娟,李 敏敏*赤峰学院,物理与智能制造工程学院,内蒙古 赤峰 收稿日期:2023年12月4日;录用日期:2024年1月3日;发布日期:2024年1月10日 摘摘 要要 U型光纤锥可以探测外界目标参量,目前在国防安全、医疗健康、工农生产等领域有着重要的应用前景,型光纤锥可以探测外界目标参量,目前在国防安全、医疗健康、工农生产等领域有着重要的应用前景,其相比未拉锥的其相比未拉锥的U型光纤结构而言,探测灵敏度显著提升。半径为影响型光纤结构而言,探测灵敏度显著提升。半径为影响U型光纤锥结构特性的一个重要参型
3、光纤锥结构特性的一个重要参量,因此,本文利用量,因此,本文利用Rsoft软件仿真软件仿真U型光纤锥的半径对光谱质量的影响,光纤锥的长度为型光纤锥的半径对光谱质量的影响,光纤锥的长度为628 m,得到,得到U型光纤锥的结构内部光路分布规律及光谱特征。最终,得出半径在型光纤锥的结构内部光路分布规律及光谱特征。最终,得出半径在83.3 m1216 m范围内时,半径是范围内时,半径是1216 m的光谱质量最好,具有最优的探测效果。的光谱质量最好,具有最优的探测效果。关键词关键词 光纤光纤U型锥,型锥,Rsoft仿真,半径仿真,半径 Theoretical Simulation of the Influ
4、ence of Fiber U-Shaped Taper Radius of Curvature on Spectral Quality Shanshan Li,Aimin Cong,Rubing Bai,Ruixin Ren,Guofeng Huang,Hongjuan Li,Min Li*School of Physics and Intelligent Manufacturing Engineering,Chifeng University,Chifeng Inner Mongolia Received:Dec.4th,2023;accepted:Jan.3rd,2024;publish
5、ed:Jan.10th,2024 Abstract U-type fiber taper can detect external target parameters.At present,it has an important applica-tion prospect in the fields of national defense security,medical health,industrial and agricultural production and other fields.Compared with the U-type fiber structure without t
6、aper,its detection sensitivity is significantly improved.The radius of curvature is an important parameter affecting the structural characteristics of U-type fiber taper.Therefore,this paper uses Rsoft software to *通讯作者。李珊珊 等 DOI:10.12677/app.2024.141003 20 应用物理 simulate the influence of the radius
7、of curvature U-type fiber taper on the spectral quality.The length of the fiber taper is 628 m,and the internal light path distribution law and spectral cha-racteristics of U-shaped fiber taper are obtained.Finally,it is concluded that when the radius of curvature is within 83.3 m1216 m,the curvatur
8、e radius of 1216 m has the best spectral qual-ity and the optimal detection effect.Keywords Fiber U-Shaped Taper,Rsoft Simulation,Radius of Curvature Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:
9、/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.绪论绪论 光纤传感器可以实现环境折射率1、温度2、应力3、PH 值4的高灵敏传感探测,在国防安全、医疗健康、环境监测、工农生产等领域被广泛应用。同时,光纤具有极大的设计自由度,通过调整光纤形态结构及材料,可获得性能优异、灵敏度更高的光纤传感结构5 6,当环境温度、压力、曲率等物理量发生变化时,光纤结构内部传输光的特征参量也随之变化。随着光纤技术工艺和理论研究的创新,光纤种类不断丰富,其应用领域也逐渐扩大。在广泛的探测领域,研究人员可通过拉锥7、级联8、刻蚀9、弯曲10等技术对光纤进行处理,破坏光的全透射传播途径,从而
10、增强光与待测物的相互作用,提高光纤传感结构的灵敏度,得到不同形状的光纤结构,如 S 型11、花生型、U 型12。其中 U 型光纤是一种常见的光纤传感结构13。其具有制作过程简单、机械强度好的特点,可根据不同的探测需求改变 U型光纤的曲率从而得出更高灵敏度的光纤传感单元。光纤拉锥与弯曲技术具有相同的作用,二者均可通过改变光纤结构,据研究,U 型光纤传感结构相比直型光纤结构而言,探测灵敏度提升了 10 倍14。锥形光纤的灵敏度极高且传感响应时间短1。2017 年,天津大学报道了基于 U 型结构的单模光纤表面等离子共振折射率传感器15,对折射率灵敏度随 U 型光纤结构半径的变化趋势进行了探究。本文将
11、光纤拉锥与弯曲技术相结合,采用 U 型光纤锥结构进行研究。曲率对于光纤传感器的传感性能起到极其重要的作用。为使光纤传感器探测功能最优,本文采用控制变量法,固定光纤锥长为 628 m,仅以曲率为唯一变量,在半径为 83.3 m1216 m 的区段范围内,仿真分析光进入不同 U 型光纤锥结构中的传输路径。当 U 型光纤锥过长时其强度将会变弱,当其过短时光强泄露不够充分,将会影响探测结果,因此应用 628 m 的 U 型光纤锥结构最佳。为更精准研究 U 型光纤锥结构半径对光谱特征的影响。通过利用基于光束传输法(Beam Propagation Method,BPM)的 Rsoft 软件对 6 种不同
12、曲率的 U 型光纤锥结构的光传输效果进行仿真分析。主要从理论原理仿真研究方面论述,建立 U 型光纤锥结构的模型,构建出 6 组不同半径的 U 型光线锥结构,并理论推导出光束在 U 型光纤锥中的传输路径。同时,结合 Rsoft软件仿真分析出进入不同半径的 U 型光纤锥结构中的光束的全透射光谱图的变化规律,得出 U 型光纤锥结构的光谱图随光纤弯曲曲率变化的规律,与不同半径的 U 型光纤锥结构的光束全透射光谱图变化规律。2.U 型光纤锥结构的模拟与分析型光纤锥结构的模拟与分析 2.1.建立模型建立模型 进入 Rsoft CAD Layout,新建仿真文档,在 2D 维度下利用 BeamPROP 模拟
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