熔融拉锥型微结构光纤传感器的制备及应用研究

发布时间：2020-05-07 23:14

【摘要】：微结构光纤传感器指用现代先进制造技术,比如微加工或者微操作的方法,在普通光纤上制作出微米级结构,或者在微纳光纤上制作的光纤传感器。微结构光纤传感器结构灵活多样,通过适当的设计可以得到各种所需要的光学特性。随着研究的深入,各种各样的新奇微结构光纤传感器不断出现。微结构光纤传感器的应用研究也日渐丰富,逐渐延伸到光谱学、非线性光学、生物医学等科技领域。本文基于微加工或者微操作的方法,设计并制作了基于熔接和拉锥技术的两种干涉型微结构光纤传感器和一种基于光纤光镊的微结构光纤传感器,从理论、实验和应用三个方面对这些器件进行研究,拓展了微结构光纤传感器在光纤传感和光纤通信领域的应用范围。本论文主要研究内容包括:设计并研制了可以同时测量折射率和温度的基于法布里-珀罗(F-P)多腔干涉的微结构光纤传感器。传感头由普通单模光纤和实芯光子晶体光纤熔接而成,包含了空气腔、单模光纤(SMF)腔和光子晶体光纤(PCF)腔。分析了传感器反射光谱的特性,对反射谱进行低通滤波,获得波谷波长;同时对反射谱进行快速傅里叶(FFT)变换,获得幅度峰值;研究了波谷波长的偏移和幅度峰值与传感器周围介质的温度和折射率的关系,获得系数矩阵,从而实现对温度和折射率的同时传感。在折射率为1.34~1.43的范围内,FFT后的幅度灵敏度为5.30/RIU,波长灵敏度为8.46×10~(-1) nm/RIU。对于温度测量,获得了6.80×10~(-4)/°C的幅值灵敏度和2.48×10~(-3) nm/°C的波长灵敏度。该传感器制作简单、成本低、温度补偿效果好,可进行双参数测量,适合于实际应用。设计并研制了基于熔接和拉锥技术的可同时用于折射率和温度测量的微结构光纤马赫-曾德(M-Z)混合干涉型传感器。这里的干涉除了由纤芯基模经不同传输路径引起之外,还包括包层模和纤芯模之间的干涉。采用基于快速傅里叶变换分析的解调方法,研究了传感系统的光学特性。通过带通和低通滤波器提取由不同干涉形成的干涉光谱。研究了两种干涉光谱中波谷随折射率和温度的漂移特性,得到了可同时测量两个参数的传感系统系数矩阵。折射率灵敏度分别为55.22±3.32nm/RIU和55.84±4.33nm/RIU,温度灵敏度分别为0.045±0.004nm/°C和0.143±0.016nm/°C。该传感器具备结构简单、制作便捷、器件尺寸紧凑、可同时传感等优点。设计并研制了一种新型微结构光纤尖端型传感器,该结构中内嵌的中空锥形腔可以使光纤尖端附近的光重新聚焦。通过时域有限差分(FDTD)方法模拟了尖端的电场分布,探讨了腔体几何形状对电场分布的影响,发现腔体填充紫外胶等高折射率介质后,电场显著增强。计算了微球处于不同电场中的受力,获得了微粒运动的平均速度与所施加的激光功率间特定的非线性关系。这种关系可应用于微流体技术来测量微流体的速度,散射力与流体力之间的平衡可以用来研究粒子的非侵入性迁移。微结构光纤尖端制作方便、可控,且其特殊的内置空腔结构使得填充高折射率介质形成可调三维势阱成为可能。
【图文】：

干涉仪,干涉型光纤传感器,微结构光纤,示意图

微结构光纤传感器结构灵活多样，通过适当的设计可以得到各种所需要的光学特性。随着研究的深入，各种各样的新奇微结构光纤传感器不断出现。微结构光纤传感器的应用研究也日渐丰富，逐渐延伸到光谱学、非线性光学、生物医学等科技领域。微结构光纤传感器的种类很多，，按工作原理不同，主要可以分为干涉型微结构光纤传感器、基于光纤光栅的微结构光纤传感器、谐振型微结构光纤传感器，以及近年来发展迅速的基于光捕获效应的微结构光纤传感器。1.1.1 干涉型微结构光纤传感器与传统光纤传感器类似，干涉型微结构光纤传感器的干涉结构主要包括法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉、马赫-曾德(Mach-Zehnder，M-Z)干涉、迈克尔逊(Michelson)干涉和赛格纳克(Sagnac)干涉，如图 1.1 所示。干涉型微结构光纤传感器一般通过单根光纤的不同光路或传播常数不同的两束光之间的干涉效应进行传感。光在传输过程中，由于有效折射率、路径长度、传播常数等发生变化而引起相位差的变动，从而导致整个干涉波形发生变化。通过对干涉信号的强度、相位、波峰或者波谷的检测可实现应变、压力、温度、超声波、电流、折射率、PH 值等物理化学及生物传感量的监测。

照片,腔长,照片,光纤传感器

结构光纤传感器的国内外研究现状光纤传感器具有测量精确、使用简单、通等特点，取得了广泛的研究和应用。一般膜等微机械加工的方法在普通光纤上加工理将微纳光纤设计成不同的干涉结构，也高阶模，从而实现不同传输模式之间的耦时测量多个参数的微结构光纤传感网络。构光纤传感器通常包含两个平行的反射面光之间产生F-P干涉，通过对干涉光的检测方式在普通单模光纤上加工出微F-P腔是制方法。2007 年，电子科技大学饶云江教授和光子晶体光纤上加工了微法布里-珀罗干FPI的应变和温度特性，并通过实验说明，基的小，而两种MFPI的温度灵敏度相近[103]。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212

【相似文献】