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空心光子晶体光纤水声响应研究 香港理工大学，电机工程系 庞盟，靳伟 2010-7-1 内容 1. 背景知识 1.背景知识 基本的光纤干涉仪结构 1.背景知识 光纤干涉仪 1.背景知识 干涉型光纤水听器的归一化灵敏度 2. 理论与仿真 2.理论与仿真 提高 NR 的新方法 用空心光子晶体光纤, 替代普通石英光纤 2.理论与仿真 如何提高 NR ? 空心光子晶体光纤和普通石英光纤的不同 2.理论与仿真 空心光子晶体光纤的弹性力学模型 2.理论与仿真 2.理论与仿真 2.理论与仿真 2.理论与仿真 2.理论与仿真 3. 实验结果 3.实验结果 4. 后续工作 4. 后续工作 1. 背景知识 2. 理论及仿真 3. 实验结果 4. 后续工作 1. 背景知识 石油勘探中的地震波检测系统 军事声纳系统 用 光纤干涉仪 检测 声压 / 振动信号 干涉型光纤传感器 马赫泽德型干涉仪 迈克耳逊型光纤干涉仪 Path difference Path difference 干涉仪两臂光程差 → 输出光强度信号 水下声压信号 → 干涉仪两臂的光程差 裸光纤 涂层光纤 实心心轴 空气夹层心轴 传感器探头 如何提高 NR ? NR： 表示单位光纤长度下水听器的灵敏度 物理长度项 光纤等效折射率项 Path difference 其中： 2. 理论与仿真 Conventional index-guiding fiber 如何提高 NR ? Coating fiber 传统方法 – 给光纤加涂敷层 Esilicon=71GPa Epolymer=0.5~5GPa （厚度：几百微米 ~ 几毫米） Conventional index-guiding fiber Hollow-core fiber 传统石英光纤 空心光子晶体光纤 Region 1: (core+cladding): 硅材料Region 2: 聚合物涂敷层 Region 1 (core): 空气 Region 2: 微结构包层 Region 3: 硅包层 Region 4: 聚合物涂敷层 硅心 → 空心 在空心光子晶体光纤中，有效折射率项将在以后章节中讨论。 1 高 NR 硅材料包层 → 微结构包层 2 蜂窝微结构 高占空比 (~90%) 低等效杨氏模量 Eeff 在声压作用下，空心光纤将产生更大的形变 仿真结果显示，空心光纤的声压灵敏度中的物理长度项NRL，主要由以下两点决定： 微结构包层的占空比 (η) 光纤硅包层的厚度 因此，更高的占空比和更薄的硅包层，可以提高空心光子晶体光纤的声压归一化灵敏度。 各向同性均一型材料 (E, ν) 各向异性蜂窝结构材料 根据弹性力学知识，即可求解出空心光纤各层的应力、应变、和形变分布 (σr, σθ, σz, εr, εθ, εz, μr) 对于空心光子晶体光纤 HC-1550-02 其NRL为：-2.68*10-11Pa-1 (~-331.4dB re Pa-1) 等效折射率项: 此项反映：在声压作用下，空心光子晶体光纤基模的有效折射率的变化。 声压作用（光纤应力/应变） 光纤截面形状的变化 光纤材料折射率的变化 空心光子晶体光纤的基模有效折射率 空心光子晶体光纤截面形变模型 梁 2, 3, 5, 6 的弯曲 梁 2, 3, 5, 6 的弯曲 梁 1~6 都发生弯曲 并且梁 2, 3, 5, 6 发生扭转 所施加声压大小为：1*108 N/m2, 根据弹光效应的知识，可得出声压作用下，空心光子晶体光纤材料折射率的变化函数为： 声压作用下，光纤截面的形变 声压作用下，光纤材料折射率分布 有限元分析方法 NRn 为：4.69*10-12 Pa-1 仿真得到： NR=NRL+NRn= -2.216*10-11 Pa-1 (~-333.1dB re Pa-1) 3. 实验结果 在实验中，分别测量了商用空心光子晶体光纤(HC-1550-02)和普通石英光纤的声压归一化灵敏度(NR) 实验设备 光纤参数 -334.4 -349.4 实验测得NR (dB re 1μPa-1) -333.1 -348.5 仿真得NR (dB re 1μPa-1) 丙烯酸酯 外径：110μm 杨氏模量：0.5GPa 泊松比：0.37 区域3 硅包层 外径：60μm 杨氏模量：72GPa 泊松比：0.17 丙烯酸树脂 外径: 95μm 杨氏模量: 0.75G