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闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析.doc

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上传者: 全村人的希望ll 2017-10-27 评分1 评论0 下载0 收藏0 阅读量199 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析doc》,可适用于战略管理领域,主题内容包含闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析兰州大学硕士学位论文闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析姓名:章元申请学位级别:硕士专业:物理学、无线电符等。

闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析兰州大学硕士学位论文闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析姓名:章元申请学位级别:硕士专业:物理学、无线电物理指导教师:张晓萍曹斌照闪烁体光纤探测器中弯曲光纤的传输特性分析论文摘要(中文)损耗和色散是光纤传输特性的两个重要方面分析光纤的损耗特性和色散特性在实际应用中有着重要的理论意义及应用价值。本文针对闪烁体光纤探测器中使用的特殊结构光纤弯曲时的损耗特性和色散特性进行了理论分析。首先对传统的任意折射率分布光纤的弯曲损耗理论模型进行了修正并着重考虑了应力对折射率的影响。以,,,,模为例对其损耗系数进行了数值计算验证了该修正结果的正确性。同时利用改进后的理论对两种典型折射率分布光纤的弯曲损耗随弯曲半径的变化规律进行了分析。结果表明改进的理论模型计算值比未改进的计算值与文献值吻合得更好特别是在弯曲半径较小时优势更明显。其次用阶梯近似法和转移矩阵法对色散补偿光纤的弯曲损耗特性进行了理论分析并验证了结论的正确性。而后选取了不同参数的光纤进行了计算得到了在不同结构参数和折射率分布下损耗随弯曲半径变化的曲线。结果表明包层半径的变化对损耗的影响比纤芯半径的变化对损耗的影响小折射率的变化对损耗的影响最大。再次本文给出了任意弯曲单模光纤宏弯曲损耗模型该模型不仅适用于任意弯曲单模光纤的宏弯曲损耗分析也适用于均匀纯弯曲单模光纤的宏弯曲损耗的分析。并对弯曲成椭圆形状的单模光纤的损耗进行了数值计算得到了损耗随椭圆结构和传输波长变化的规律。最后对标准单模光纤弯曲后的色散进行了推导并得到了解析表达式。通过数值计算得到了材料色散及波导色散随波长和弯曲半径变化的规律。结果表明材料色散和波导色散都随波长及弯曲半径的增大而增大的规律波导色散还出现了振荡现象。以上研究结果对于弯曲光纤在信息传输中的实际应用具有很好的理论指导意义并对光器件的设计有着重要的理论参考价值。关键词:闪烁体光纤探测器弯曲光纤损耗色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,论文摘要(英文),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,原创性声明本人郑重声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关盘型,日的职务作品知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名:垒型导师签名:兰州大学研究生学位论文引言,线数字化成像技术是当代医用,线摄影技术发展的最高水准。根据,线信息探集的方法不同分为间接数字化(,,)和直接数字化(,,)两类。前者使用,板后者使用平板探测器。尽管把,板和平板探测器,,,置于口腔内实现牙片数字化成像的装置国外应用于临床已十余年国内引进也有七八年因患者不易接受后磨牙难以显示所以未能普及推广。上述问题妨碍着数字化牙片成像技术的应用推广因此提出探测器扫描成像新技术是现代化医学的迫切需求。,线闪烁体光纤探测器扫描成像就是针对这一迫切需求而提出的新方法它被应用于口内牙片成像。该技术使用特殊结构的光纤组成闪烁体光纤探测器研究选择具有量子转换率高、工艺性能好的,线可见光转换装置其受激可见光与光纤的数值孑,径及光电转换元件相匹配组成新的高效,线光电探测器。但由于光纤过于敏感探测器的结果受到了周围温度扰动、光源起伏、形变等的影响因此对光纤弯曲带来的损耗与色散特性进行分析是有着实际意义的。关于弯曲光纤的损耗已有较长时间的研究了。早在,,世纪,,年代末期英国研究人员利用单模光纤工作波长、弯曲半径与弯曲损耗的关系研究解复用在,,。弯曲情况下试验成功两个波长的解复用【,】。,,世纪,,年代澳大利亚,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,研究了基于弯曲的非线性平面波导的全光开关认为弯曲的非线性波导具有有效的和可控制的开关特性。,,,,年美国,,,,实验室使用夫琅和费衍射理论计算了光纤的弯曲损耗结果显示阶跃折射率光纤,,,,模的弯曲损耗计算公式和平板波导的弯曲损耗计算公式是一致的【,,。,,,,年英国,,,,,,(,,,,大学研究了基于单模光纤弯曲性能的干涉型光纤温度传感器。干涉现象是产生于芯区的导模和涂覆层的,,,,,,,,,,,,,,,,,,,模之间光纤的涂覆层看作是传感元素。在一,,。,到,,。,的温度范围获得了误差小于,(,,,的测量结果【,,。,,,,年美国,,,,,,,,,,,,,,,使用掺,,的芯径,,,,的双包层多模光纤在波长为,,,,,光的泵浦下产生了,,,,,,的放大自发辐射光将其缠绕成半径为,。,,(,,的圈状获得了单模工作。他们认为光纤弯曲时低阶模的模耗较小而高阶模损耗较高【,,。以上成果是从实验角度研究了光纤的弯曲损耗特性在光纤通信、光传感和光电子器件等方面都具有实际的意义。在理论方面,,,,年、,,,,年,,,,,,,,,,和,,,,,,,,,分别用无限延伸包层的简单模型分析了单模光纤的弯曲损耗得兰州大学研究生学位论文到弯曲损耗随弯曲半径和波长单调变化的简单结论。,,,,年,,,,,,,,〔,,把弯曲光纤看作五层平板波导分析了损耗特性发现随着弯曲半径和波长的变化损耗呈现出振荡的现象。,,,,,,、,,,,,,,,,,,和,,,,,,,,,】分别于,,,,年和,,,,年提出了较为简单的模型并且和实验结果吻合较好。,,,,年曲直【…等对单模双折射光纤的弯曲传输损耗进行了研究。,,,,年王建飞〔,,,等对多包层单模光纤的弯曲损耗进行了分析。本文则依据实际工作的需要主要从理论方面对光纤的弯曲损耗特性进行了更进一步的研究。以往人们对阶跃折射率光纤的宏弯损耗进行了广泛的研究〔,,,,,〕而对任意折射率分布光纤的研究甚少。而实际单模光纤的折射率往往不会作理想的阶梯分布因此研究任意折射率分布光纤的弯曲损耗可以更加精准的指导实际工作。传统分析任意折射率分布光纤弯曲损烈,,】的思路是将任意折射率分布进行阶梯近似使每一层等效为常数并近似认为光纤弯曲后的折射率与弯曲前相同利用转移矩阵法求出每一层的场分量从而得出传输功率和损耗功率(最终推导出损耗公式并且有文献利用该结果分析了负色散光纤„,,,和光子晶体光纤【,,笼,的弯曲损耗。但在上述的推导过程中没有考虑弯曲后光纤的折射率与原直光纤的差异为此本文在利用转移矩阵法推导损耗公式时考虑了弯曲光纤相对于原直光纤由于内应力的产生而引起的折射率变化对求解任意折射率分布光纤弯曲损耗的理论模型进行了改进使计算结果更加符合实际情况从而修正了计算任意折射率分布光纤弯曲损耗的理论。修正过任意折射率分布光纤弯曲损耗的理论模型后本文又选择了另一种很实用的光纤就是在光通信传输系统中作为负色散波导已被广泛应用的色散补偿光纤。色散补偿光纤(,,,)是,种在,,,,,,波长有很高负色散的光纤山于其灵活、方便、易于光纤传输嘲升级和可以得到色散斜率补偿等特点而被应用得越来越广泛。在实际应用中当,,,作为传输介质进行布线将无法避免的需要弯曲由于色散补偿器件的小型化光纤弯曲半径越来越小器件结构越来越紧凑因此光纤弯曲引起的损耗也就越采越大并且成为不可忽略的研究对象。但到目前为止。仅有一篇文献【,,,分析了负色散光纤其采用数值解法有一定的误差(且只分析了固定结构光纤的弯曲损耗随波长的交化关系(局限性很大。本文给出了色散补偿光纤弯曲损耗的理论表达式对四层色散补偿光纤进行了计算分析得到了在不同结构参数和折射率分布下(掼耗随弯曲半径变化的曲线虽然人们对于弯曲光纤的损耗进行了大量的研究。但到目前为止对单模光纤弯曲损耗的分析都建立在均匀纯弯盛模型的基础士而在实际应用中光纤的弯,曲常常呈现,兰州大学研究生学位论文不规则形状因此有必要给出任意弯曲单模光纤的损耗模型把该模型与均匀纯弯曲的理论联系起来得到最终的解析表达式。在理论上均匀纯弯曲光纤可以通过求解它的本征方程来分析其弯曲损耗但是数学计算过程十分繁琐。为此通常采用近似理论方法〔,,,,,或数值计算方法〔玻担玻叮毖芯俊,渲械湫偷牡ツ,庀司却客淝损耗理论模型的思路为:将弯曲损耗与单模光纤基模传播常量虚部联系【,,,将传播常量虚部与波动方程后向场在轴芯上的强度联系【,引而后求解由弯曲光纤转化而来的等效直光纤的波动方程得到后向场在光纤轴芯上的强度进而得到弯曲损耗系数〔,,,,】。本文将任意弯曲光纤近似枞均匀纯弯曲光纤从而建立了任意弯曲单模光纤的损耗模型并以弯曲成椭圆形状的单模光纤为例对其损耗系数进行了数值计算。综上所述关于弯曲光纤传输特性的研究其损耗特性的研究一直倍受人们关注而对于弯曲光纤色散特性的研究却不曾有过文献报道。因此本文利用直光纤的色散解析式通过得出弯曲光纤的等效折射率以及等效光纤半径从而得到了弯曲光纤的色散解析形式。并且根据闪烁体光纤牙片成像系统项目的需求对可见光波段的弯曲光纤色散进行了计算得到了色散随着波长及弯曲半径变化的规律。理论基础,(,弯曲光纤的损耗,(,(,光纤损耗的分类影响损耗的原因有很多从原理上讲光纤传输损耗主要分吸收和辐射两大类。当光作用于物质时一部分反射一部分透射还有一部分被物质吸收。反射与透射不改变光的形态但只有一部分到达终端其余部分仍以光的形式辐射掉。被物质吸收的那一部分光能量的形态发生变化一般变为热能当然也可能变为其他形式能。这两部分光都不能到达终端。因此任何导致产生辐射与吸收的因素都有可能产生损耗。光纤损耗分判,,】如下,兰州大学研究生学位论文,红外吸收本征吸收,纯,,,吸收,。,紫抖吸收『有用掺杂吸收杂屡吸收((材料损耗有害掺杂吸收瑞利散射„微观不均匀性)茸他固有损耗赋:场拼布不集中于剖层竣导损瓣应力微弯,,、,,豁:梗式耦合成辐射模或高次梗芯包界面不规则折射率纵向不均匀,,,,黼龋“纵横向向光纤损耗工艺缺陷,,,铋纹,,莰缆阶段(光缆咐加损耗)„。,,,,,使用损耗,【使用阶段(使用附加损耗)拉压化,,,【微微应外弯温水裂弯力力曲魔侧,变蚀,(,(,弯曲损耗的原理光纤的弯曲损耗分为宏弯和微弯两种„,,,。宏弯指大尺度的弯曲比如将光纤松绕在滚筒上或沿墙角铺设光纤就是宏弯的典型例子。弯曲损耗实际是辐射损耗。在弯曲光纤中导模转换为辐射模。导致了损耗。这种现象可以从两个方面解释。如图,所示一束射线在光纤中行进在纤芯和包层交界面上入射角研,,,(临界角)以保证满足全反射条件构成导波。当这射线进入弯曲部分时它以小于?的图,射线法解释入射角呸射在芯子和包层的交界面上。光,兰州大学研究生学位论文纤弯曲的曲率半径尺越小入射角,,也越小。在曲率小于某一值时岛,,,全反射条件被破坏部分导波成为辐射波而辐射出光纤形成了辐射损耗。弯曲损耗也可以用波动理论来解释。在光纤中导波是慢波它的相位常数,和相速,分别满足‰伤肌计撸埃(,)嵋,,,,,七,惕、七。他嵋、,”,分别为芯层和包层中平面波的相位常数和相速。对辐射模其‖和,满足疗,,傀,,聃饥,‰,成为快波。因而可以说当导波的相速由小于屹变为大于屹时它就变成辐射波。或者说,,屹可作为辐射模出现的标志。对弯曲光纤来说它的等相面是缈,(常数)而不是,,。如图,所示这必然使处于光纤轴线以内的部分的光相速减少而轴线以外的部分光相速增加。光纤的曲率半径越小这种现象越严重。当,变化得破坏了式(,)的条件而满足式(,)的条件时导波就成了辐射波导致弯曲辐射损耗。由此可以看出曲率半径,越小,足弯曲损耗越大。微弯是指光纤对它的直线状态发生随机的图,波动理论解释小幅度的偏离。它是在光纤的制作、成缆、敷设、光纤在低温环境下运作而产生的。微弯产生微弯损耗。对单模光纤来说它是由于主模功率向其它模式耦合因而损耗了主模功率。微弯是随机的因而要用统计方法进行分析。一般我们将光纤的包层看作是无限大平面但将其视作有限平面时弯曲损耗就会出现振荡的特性。光纤弯曲损耗的振荡特性可解释为:在弯曲的单模光纤中光纤在弯曲处从基模中泄漏出来一种是因为光波能量从光纤弯曲处辐射到周围空间中而引起的辐射损耗另一种是因光波从直光纤进入弯曲光纤时耦合为其它导模而引起的模式耦,兰州大学研究生学位论文合损耗。然而并不是所有以上两种形式从基模中泄漏出去的光将永远损耗了还会有部分光从泄漏模和包层中的模式重新耦合回芯中的基模。因此随着弯曲半径和波长的变化弯曲损耗便呈现出了振荡的现象。,(,弯曲光纤的色散,(,(,色散的种类(,)模问色散多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送端多个导模同时激励时各个导模具有不同的群速到达接收端的时刻不同。(,)波导色散这是某个导模在不同波长下的群速度不同引起的色散它与光纤结构的波导效应有关因此又称结构色散。(,)材料色散这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化而光源有一定谱宽于是不同的波长引起不同的群速度。(,)偏振模色散普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式若光纤中结构完全对称则这两个正交偏振模有完全相同的群时延不产生色散。实际单模光纤存在少量的不对称性造成两个偏振模的群时延不同导致偏振模色散。,(,(,单模弯曲光纤的色散对于单模光纤米讲没有模间色散。由于光纤的弯曲在轴向上产生了不对称的应力因此产生了偏振模色散但从实验结果【,,】证明外应力从,(,,,,(,,变化时偏振模色散最大只达到,(,,,,,,,,(,,所以可将其忽略。这样在弯曲的单模光纤中主要存在的仍然是波导色散和材料色散。材料色散反映是折射率对波长的依赖性折射率不同则传输速度也不同因而对光源的一定频谱宽度将产生另一种脉冲展宽波导色散则反映的是光纤的波导特性随波长变化的性质由于光纤的几何结构、纤芯尺寸、几何形状、相对折射率差等方面的不完善使得一部分光在纤芯中传播而另一部分光在包层中传播而纤芯和包层的折射率不同因而在纤芯中和在包层中传播的速度不同而造成光脉冲的展宽。,兰州大学研究生学位论文弯曲光纤的损耗特性分析,(,任意折射率分布光纤弯曲损耗理论模型的改进,(,(,转移矩阵理论简介以简单的三层平板波导为例来推导基本的转移矩阵。厚度为,的三层介质平板波导的折射率分布如图,所示以,,波为例光导波满足的标量波

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