面向高精度、小型化及抗辐射光纤陀螺的细径保偏微结构光纤及敏感环的研究

Fine-diameter (FD) polarization-maintaining (PM) micro-structure optical fiber (MSF) is a breakthrough of the sensing coil for high precision, miniaturization and anti-radiation fiber-optic gyroscope. The influence of FD-PM-MSF on sensing coil will be investigated, then, the optimal design of key parameters including the cladding diameter and geometrical birefringence, for sensing coil of fiber-optic gyroscope, can be obtained, for the first time. By introducing the function of fabrication errors to describe the fabrication feasibility quantitatively, current finite element method based model will be developed, and an extended model can be established to describe the structure, optical properties and fabrication feasibility of FD-PM-MSF. Then, a geometrical birefringence based structure design of FD-PM-MSF with high fabrication feasibility will be proposed. The real time MSF structure monitoring method will be realized based on a side tomography imaging, then, a closed-loop feedback method of multi-channel air pressure control can be established, by which, high-precision fabrication of sub-micron scale air hole structure of FD-PM-MSF can be realized. The sensing coil will be manufactured by the fabricated FD-PM-MSF, and the static and dynamic bias stability and the anti- radiation characteristics of the fiber-optic gyroscope can be obtained. The investigations are important for extending current MSFs model to describe the fabrication feasibility and filling in absence of precise control with theoretical guidance for all kinds of MSFs fabrication, and realizing the sensing coil of high precision, miniaturization and anti-radiation fiber-optic gyroscope.

细径保偏微结构光纤（MSF）是突破高精度、小型化及抗辐射光纤陀螺敏感环瓶颈限制的关键。本项目首先研究细径保偏MSF对敏感环的影响机理，首次理论确定光纤陀螺应用细径保偏MSF包层直径和双折射等关键特性的最优设计目标。引入制备误差函数定量描述可制备性，推广有限元法，建立能够描述MSF结构、光学特性及其可制备性的MSF拓展理论模型。提出基于几何双折射的高可制备性细径保偏MSF结构设计。研究基于MSF侧面层析成像的制备过程实时MSF结构监测技术以及闭环反馈多通道气压控制方法，实现MSF亚微米量级尺度气孔结构高精度制备。研究细径保偏MSF敏感环绕制技术，对闭环光纤陀螺的静态和动态零偏稳定性及其抗辐射特性进行实验验证研究。本项目可以为推广MSF理论模型实现对可制备性的定量描述，解决各类MSF制备过程缺乏理论指导下的精确控制问题，以及实现高精度、小型化和抗辐射光纤陀螺敏感环提供理论指导和技术参考。

针对微结构光纤开展研究工作，研究了微结构光纤各向异性结构的定量描述方法及其对高双折射的影响机理，在此基础上，得到了不同各向异性结构实现的双折射水平。对空芯微结构光纤、多芯微结构光纤与方形纤芯光纤进行了实验制备研究。研究了基于横向Anderson局域效应无序光纤的表面布里渊散射机理及其在长距离光纤结构均匀性方面的应用。针对纳米孔光纤研究了纳米孔光纤光栅的特性及其折射率传感应用。把握智能光子学交叉研究前沿，引入深度学习解决光纤光学问题，基于深度学习的分类任务实现了反谐振光纤（ARF）损耗的快速预测，与有限元方法相比，该方法可在较短的计算时间下有效预测ARF限制损耗的数量级，相关工作可以为人工智能应用于光纤研究提供理论指导与技术参考。将群体智能应用于光纤研究，基于粒子群算法（PSO）实现了低损耗反谐振光纤的优化设计。构建了双层PSO算法，最终优化得到最低限制损耗为2.73×10-7 dB/m，该ARF结构相较于目前文献报道结构差异较大，表明PSO优化算法可以在光纤设计方面突破现有经验，获得更优的ARF设计，从而为阐明光纤结构影响机理和新型结构设计提供群体智能参考。对风车结构与光子晶体结构折射率导光以及全固态反谐振导光的单晶光纤进行了数值仿真研究，阐明了不同光纤结构对传输损耗与模式数量的影响机理，为单晶光纤设计提供了理论指导。光纤技术与应用研究方面，提出了一种基于边带调制的FBG高频超声传感器，突破了传统波长调制FBG超声传感器探测高频超声失效的瓶颈问题。基于时空二元性原理，利用“时间光栅”以及“时间4-F系统”实现了光学相位编码序列的可调倍频器。针对φ-OTDR光纤分布式振动传感器，研究了提高远端信噪比的技术方法；基于近类支持向量机（NC-SVM）实现了振动事件的识别方法；基于GAF图以及深度学习实现了振动事件模式识别；采用非监督学习的聚类任务实现了具有自标定功能的振动事件模式识别；研究了基于φ-OTDR的大地听觉神经系统，对交通流量监测应用进行了验证。