基于2微米波段水吸收峰的光纤湿度传感器研究

发布时间：2020-04-02 14:42

【摘要】：目前,2微米波段激光在激光医疗手术上的应用已经十分普遍。相比于其他波段的激光,2微米波段激光具有更为明显的优势:水分子在2微米波段附近有很强的吸收峰,利用这一特性,组织中的水分可以瞬间吸收该波段激光发出的能量,产生强烈的汽化切割效应。除此之外,随着2微米波段低损耗光纤和掺铥光纤放大器的出现,该波段也逐渐被应用于光通信领域的研究上。目前该波段激光在传感领域的应用还相对较少,本文提出将2微米波段激光应用于湿度传感领域中,可实现对湿度的测量。本文基于水在近红外2微米波段的强烈吸收峰,研究了该波段湿度环境下光纤吸收损耗的特性,实验上验证了2微米波段的水吸收峰,实现了基于该吸收峰的湿度传感器。我们首先调研了水在近红外波段的各个吸收峰位置,分析了每个吸收峰用于湿度测量的可能性,最后确定基于2微米波段进行湿度检测的可行性。根据光学系统小型化的发展趋势,我们采用微纳光纤结构作为2微米激光的介质波导,进行传感器的制备。然后建立了锥形光纤的基本模型,以倏逝波的原理为基础,探讨了锥形光纤用作湿度传感器的传输特性。此外,还根据微纳光纤环形谐振腔的结构以及传播原理,推导了其输出光谱公式。我们计算了微纳光纤环形谐振腔的自由光谱范围、品质因数、条纹精细度以及消光比这四大表征微纳光纤环形谐振腔光谱特性的参数,分析了在不同折射率、不同谐振腔周长以及不同吸收系数变化条件下,微纳光纤环形谐振腔输出光谱发生的变化以及这四大参数对湿度测量结果的影响。以上为实现湿度的实时测量奠定了理论基础。随后本文介绍了锥形光纤和微纳光纤环形谐振腔的制备方法,在满足制备过程中所需要的实验条件及环境要求下,获得了较为理想的两种微纳光纤传感器,并且实现了这两类传感器表面湿敏材料的零涂覆,简化了实验步骤,节约了材料成本。最后,我们设计并搭建了一套完整的湿度发生装置,将上述制备成功的两种传感器放置入湿度可调的环境中,分析了每种湿度传感器在室温状态下输出光功率随相对湿度的变化、某一湿度条件下连续测量时输出光功率发生的变化、长时间测量条件下传感器的稳定性以及传感器的响应时间。除此之外,实验测试了两种传感器在不同温度条件下输出光功率随湿度的变化,排除了温度对湿度测量结果的影响。
【图文】：

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图 1-1 涂有琼脂糖的锥形光纤示意图[16]课题组借助不同结构、类型的光纤以及各种检测的研究。创价大学信息系统科学系提出基于异芯光纤该传感器是利用长度为 20 mm、纤芯直径为 50 μm 的多模光纤得到的。其传感原理是在酸，当传感器周围的相对湿度改变时，输出而变化。该实验成功测量了在 26.4% RH-92并且在 1310 nm 波长处、50% RH-92.9% RH 19.7% RH-85.5% RH-19.7% RH 的快速转化 5.8 s。

示意图,多模光纤,湿度传感器,单模光纤

图 1-1 涂有琼脂糖的锥形光纤示意图[16]各实验课题组借助不同结构、类型的光纤以及各种湿敏对湿度检测的研究。，日本创价大学信息系统科学系提出基于异芯光纤的湿[17]。该传感器是利用长度为 20 mm、纤芯直径为 3.1 μ芯径为 50 μm 的多模光纤得到的。其传感原理是在光纤聚赖氨酸，当传感器周围的相对湿度改变时，，输出光强的变化而变化。该实验成功测量了在 26.4% RH-92.9% R变化；并且在 1310 nm 波长处、50% RH-92.9% RH 范围化。在 19.7% RH-85.5% RH-19.7% RH 的快速转化过程6.1 s 和 5.8 s。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN24

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