基于光镊原理的光纤振动传感器机理研究

本项目拟对基于光镊原理的光纤振动传感器开展理论与实验研究。将光纤光镊捕获技术与光纤传感技术相结合，利用光纤出射光场将直径在微米量级的聚苯乙烯球悬浮于几十微米量级的石英管中，通过聚苯乙烯球感知外界的振动信息并与多芯光纤位移传感机理结合构成新型的光纤振动传感器件。由于多芯光纤的引入，单个传感器可以分辨二维振动信息，在有效减小传感器体积的同时大大提高了光纤振动传感器的感知能力。其目标是研究基于光镊原理和多芯光纤技术的光纤振动传感机理，获得光纤光镊的二维振动传感器的物理模型，实现自复位型光纤光镊振动传感器的新结构，发展基于光镊原理的光纤振动传感器构造的新方法和新技术，实现光纤振动传感器的理论创新和技术进步。

光纤光镊系统是利用光纤出射的激光束来实现对粒子微操纵的一种光镊形式，两根纤芯相对的光纤能够形成稳定的光镊并用来捕获微米量级的微介质球。与光纤技术相结合的光镊是一种全新的微操作手段，研究者们利用这一手段成功地进行了诸如生物细胞的力学特性、布朗运动的力学性质等多项物理量的测量。光镊技术用于物理量测量的一个显著缺点是，每次测量时都需要借助显微镜和微操作器主动地寻找被捕获物，仅适合实验室中测量，很难构成实用化传感器的方案。.本项目对基于光镊原理的光纤振动传感器开展了理论与实验研究。将光纤光镊技术与光纤传感技术相结合，利用光纤出射光场将直径在微米量级的聚苯乙烯球悬浮于几十微米量级的石英管中，通过聚苯乙烯球感知外界的振动信息并与多芯光纤位移传感机理结合构成了新型的光纤振动传感器件，由于多芯光纤的引入，单个传感器可以分辨二维振动信息，在有效减小传感器体积的同时大大提高了光纤振动传感器的感知能力。.其目标是研究基于光镊原理和多芯光纤技术的光纤振动传感机理，获得光纤光镊的二维振动传感器的物理模型，实现自复位型光纤光镊振动传感器的新结构，发展基于光镊原理的光纤振动传感器构造的新方法和新技术，构造新型光纤振动传感器，实现光纤振动传感器的理论创新和技术进步。.本项目主要完成了以下研究内容包括：.（1）基于光镊原理的光纤振动传感器的物理模型与力学特性分析.从光镊捕获粒子的基本原理出发，分析小球的受力情况，设计出基本结构使得被光镊捕获的微粒满足惯性式受迫振动模型。依据不同的测试要求，对各因素进行优化设计，选取最佳方案。.（2）基于光镊原理的光纤振动传感器的结构设计与制作方法研究.光纤光镊是光纤振动传感器得以实现的核心部件，依据光纤振动传感器的具体要求，进行优化了设计，完成了振动传感器的结构设计，获得了实用的传感器制作方法。.（3）多芯光纤光路集成理论与实验研究.采用耦合模理论和光束传播法开展研究，建立了多芯与单芯光纤耦合理论模型，研究了不同纤芯直径、折射率、偏心度对耦合连接效果的影响，开展实了验与理论对比研究，完善耦合理论模型。.（4）基于光镊原理的光纤振动传感器振动特性研究.系统测试了传感器的振动特性，得到幅频特性、相频特性、动态范围等关键性数据，进行了传感器光学特性的实验研究，分析了各项结构参数对传感器性能的影响，得出了最优化实现方案。