空芯带隙型光子晶体光纤的传感特性研究

发布时间：2020-06-16 02:27

【摘要】：气体、液体、生物化学等传感器被广泛应用于环境保护、安全生产以及国防航天等领域。与电化学材料相比,光纤具有抗电磁干扰的特性,具有传输损耗小、耐腐蚀性强等优点,可以应用到高温高压、大型机电、易燃易爆等危险环境,空芯带隙型光子晶体光纤结构独特,能作为传感单元为光与气体,液体等物质反应提供理想的场所,因此在气体传感、液体传感、生物化学传感等领域受到广泛的关注。本论文研究和设计了基于空芯带隙型光子晶体光纤的传感器,研究内容主要分为以下四个部分:1.介绍了几种光子晶体光纤常用的数值计算方法及其各自的优缺点,着重分析了矢量有限元法,介绍了矢量有限元法的计算步骤,推导了计算公式。2.设计了基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体传感器。利用COMSOL软件模拟仿真了传感器的灵敏度、有效折射率等参数;计算分析了光纤的谐振波长与有效折射率实部之间的关系;最后计算了金属膜的厚度、石墨烯膜的厚度、纤芯空气孔的尺寸以及被测物折射率的变化对光子晶体光纤传感特性的影响。3.设计了基于红外吸收光谱原理的空芯光子晶体光纤气体传感系统,该系统包括光源、光路和后端信号检测电路三个部分。选择分布反馈激光器作为光源,采用实验室自主研发的温控和电流驱动器驱动激光器;光路由全光纤组成,考虑到空芯光子晶体光纤与单模光纤的模场直径不匹配,利用准直镜和聚焦镜实现二者的耦合,将气室与电路分隔开,为气体的测量提供了安全保障;设计了电流转电压电路和放大电路用于检测后端信号。使用锁相放大器、NI数据采集卡和基于LABVIEW的信息采集平台进行信号处理,提取二次谐波信号来表征气体浓度。4.进行甲烷气体浓度测量实验,提取二次谐波表征气体浓度,结果显示该检测系统具有良好的线性度和稳定性。通过分析传感器的Allan方差变化,结果显示,在1秒的平均时间内,最小检测下限约为4.7ppm。当积分时间增加到83秒时,最小检测下限降低到0.632ppm。本论文的创新点:1.设计了基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体传感器。在分析物通道内侧涂上金层以作为等离子体激元材料来精确检测分析物,并在金层外侧涂上薄的石墨烯层以防止氧化。使用有限元法(FEM)进行光纤性能和传感性能的数值研究,通过研究光纤结构参数对等离子体激发特性的影响,优化了传感性能。结果显示在1.37-1.40的折射率检测范围内传感器的最大折射率灵敏度是12000nm/RIU,最大振幅灵敏度为318 RIU~(-1),此时的分辨率是3.1·10~-55 RIU。该传感器适用于检测各种高折射率化学品,生化和有机化学分析物。2.设计了吸收光谱式光子晶体光纤气体传感系统,采用全光纤式光路结构,设计了一个小型气室,将气体检测部分与电路进行隔离,检测系统具有良好的线性度和稳定性,在1秒的平均时间内,最小检测下限约为4.7ppm。当积分时间增加到83秒时,最小检测下限降低到0.632ppm。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253;TP212
【图文】：

光子晶体,空间结构,引导型,光带隙

图 1.1 光子晶体空间结构图[24]1996 年，英国巴斯大学的 J. C. Knight 等人研制了第一根折射率引导型光子体光纤，结构如图 1.2（a）所示。1998 年，J. C. Knight 等人研制了第一根光带隙型光纤，如图 1.2（b）所示。1999 年，J. C. Knight 等人再次研制出空芯

光子晶体光纤,根折,第一,空心光纤

（a）（b）（c）图 1.2 J. C. Knight 等人研制的，（a）第一根折射率引导光子晶体光纤，（b）第一根光子带隙型光子晶体光纤，（c）第一根空芯带隙型光子晶体光纤2010 年，Y.L. Hoo 等人设计了能够快速响应且高度敏感的空心光纤甲烷传

【参考文献】