基于填充型光子晶体光纤的多参量传感机理研究

发布时间：2020-08-11 23:44

【摘要】：光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)由于其良好的光控能力和灵活的设计自由度,成为光纤传感领域的研究热点。通过在PCF包层结构中选择性填充对外界环境敏感的功能材料,可实现不同功能的高灵敏度传感测量。然而,在测量过程中,外界温度、磁场等因素很容易干扰到PCF的光学特性而导致偏差。若能在同一器件中实现多种参量的同时测量,既可以提高传感装置的集成度,又能解决传感交叉敏感难题。因此,对填充型PCF多参量传感机理的研究,提供了一种高灵敏、易制备、能集成的传感器设计新思路。本文优化设计了三种不同的填充型PCF传感器,实现了多参量传感测量:(1)在填充型PCF中蚀刻长周期光栅(Long Period Grating,LPG),利用其双谐振特性,提出一种高灵敏PCF-LPG温度传感器。通过对包层气孔选择填充磁流体(Magnetic Fluid,MF)材料,使得包层模和纤芯模的耦合出现双谐振峰,利用两谐振峰的间距即可实现温度的高灵敏传感。此外,为增大温度的检测范围,在内层空气孔填充乙醇而其它孔填充MF,可在0°C-60°C范围内达到2.99 nm/°C的温度灵敏度。(2)基于模间干涉(Modal Interference,MI)和定向耦合(Directional Coupling,DC)传感机制,实现了温度和磁场的双参量测量。通过在PCF包层结构中选择特定的空气孔并填充MF材料引入缺陷通道,利用纤芯高阶模与缺陷模的耦合增加传感测量的自由度。深入分析干涉光谱和损耗光谱随温度及磁场的漂移特性,结合双参量矩阵法解决传感交叉敏感难题。(3)基于选择填充型PCF,结合缺陷耦合传感机理,设计了一种可同时检测曲率、弯曲方向、温度与磁场的多参量传感器。通过在PCF包层结构中选择四个对称空气孔并填充MF材料,在垂直方向和水平方向分别引入两个对称缺陷通道。基于纤芯模与缺陷模的耦合,在纤芯模损耗光谱中出现两个明显的损耗峰。研究表明,当PCF沿X或Y方向弯曲时,对应损耗峰发生分裂,而另一损耗峰则保持不变。利用X、Y方向弯曲损耗分裂峰的间隔随弯曲变化的漂移特性,可实现曲率与弯曲方向的同时检测。此时,弯曲测量不会受外界温度或磁场的影响。另一方面,利用两分裂峰的中心波长均值随温度与磁场的漂移特性,可实现对温度和磁场的同时传感而不受弯曲情况干扰。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212

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