微结构光纤法珀干涉仪折射率测量方法研究

发布时间：2020-07-25 11:33

【摘要】：在环境监测、生化研究、食品安全等领域,折射率作为影响实际生产加工的重要测量指标,一直是人们重点关注的对象。在各式各样的折射率传感器中,光纤折射率传感器以其结构小巧、测量精度高、可远距离传输、抗高温且耐腐蚀等优点逐渐成为该领域的研究热点。随着社会工业化的发展,人们对折射率的测量提出了高灵敏度、大测量范围和低成本等实际要求。本文基于法布里-珀罗干涉(FPI)原理,对开放腔FPI传感器和在线复合腔FPI传感器的折射率测量方法进行研究,并进一步探索了在线复合腔FPI传感器在气液检测方面的应用。针对开放腔FPI传感器,本文提出了扩展折射率测量范围的方法。针对在线复合腔FPI传感器,提出了中空纤维膜内气体检测的实际应用。主要研究内容如下:(1)研究了一种基于自由光谱范围(FSR)定位指定阶次干涉谷的开放腔FPI折射率测量方法。通过理论推导和Matlab仿真,从理论的角度分析了该方法的正确性;其次,通过制作开放腔法珀结构的传感器,搭建实验平台并进行实际测量,从实验的角度验证了该方法的可行性。实验结果表明:折射率测量范围达到1.333～1.4RIU,较传统的单峰测量方法提高了约7倍。在整个测量范围内传感器呈现良好的线性响应特性,灵敏度为1260.282nm/RIU,实现了大范围高灵敏度的折射率测量。(2)研究了一种基于在线复合腔法珀干涉仪的折射率测量方法。分析了在线复合腔法珀干涉仪的折射率测量原理,研究了传感器的制作工艺,搭建了实验平台。针对三个样品的折射率实验结果如下:折射率为1.333～1.34RIU和1.34～1.36RIU 时,折射率灵敏度分别为:-116.3dB/RIU 和-52.7dB/RIU;-198.2dB/RIU 和-63.4dB/RIU;-176.6dB/RIU 和-102.5dB/RIU。此外,温度为20～50℃时,其温度灵敏度分别为:0.0075nm/℃、0.0075nm/℃和 0.0073nm/℃。通过分段线性拟合方法实现了传感器在不同折射率范围下的高灵敏度测量。(3)研究了基于在线复合法珀干涉仪的中空纤维膜内气体检测传感器。分析了该传感器的气体检测原理,制作了气体检测传感器样品,搭建了中空纤维膜气体检测系统。测试结果表明:该传感器可以实现膜内气体的实时检测,填补了中空纤维膜内气体原位监测的空白。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O435.1;TP212
【图文】：

ＦＰＩ传感器的发展。逡逑２０１０年，Ｃｈｏｉ等人提出了一种双腔法布里－珀罗光纤干涉仪［２４］。其结构图逡逑如图１－２所示，该结构的传感头是先在一段单模光纤和一段多模光纤之间熔接逡逑一段空心光纤，然后将多模光纤预留一定长度后切断，构成了两个级联的法珀逡逑（ＦＰ）腔组成，两个级联的ＦＰ腔由空心光纤构成的空气腔和多模光纤腔构成。逡逑实验结果表明，该结构的折射率灵敏度在１．３３￣１．４５ＲＩＵ范围内约为１６ｄＢ／ＲＩＵ，逡逑温度灵敏度在为２６°Ｃ￣５００°Ｃ内约为８．９￣１４．６ｎｍ／°Ｃ。逡逑Ｇｕｉｄｉｎｇ邋ｆｉｂｅｒ邋（ＳＭＦｊ邋ＨＯＦ邋Ｓｅｎｄｉｎｇ邋ｆｉｌｌｅｒ邋（ＭＭＦ）逡逑图１－２基于中空纤维的ＦＰＩ传感器逡逑２０１１年，Ｎｇｕｙｅｎ等人利用聚焦离子束（ＦＩＢ）微纳加工技术，在单模光纤逡逑的侧面制造了一个矩形的凹槽，使得单模光纤的尾端形成了复合ＦＰ腔，一个空逡逑气腔和一个单模光纤腔，入射光在单模光纤中传输发生三光束干涉，如图１－３逡逑所示［２５］。其中，空气腔主要用来测量盐水的浓度，而单模光纤腔可以用来检测逡逑环境温度变化

逦Ｌ２逡逑ｉＷＴ逡逑图１－１基于ＦＰＩ传感器的空间光路逡逑１９７６年，Ｇｉｂｂｓ等人首次提出了具有非在线介质填充的ＦＰＩ传感器［２２］。通逡逑过连续燃料激光器照射含钠离子的ＦＰＩ干涉仪，在透射过程中观察到了微分增逡逑益和滞后现象。该设想的提出使得法珀传感器可以用作光放大器、储存元件和逡逑限幅器。１９８２年，Ｔｏｓｈｉｈｉｋｏ邋Ｙｏｓｈｉｎｏ首次利用单模光纤构成光纤法拍传感器，逡逑并对该类型的传感器的理论分析、应用前景和研宄方向做了比较系统的表述［２３］。逡逑由于光纤材料的结构小巧、导光性好、可塑性强，光纤材料的引入大大加快了逡逑ＦＰＩ传感器的发展。逡逑２０１０年，Ｃｈｏｉ等人提出了一种双腔法布里－珀罗光纤干涉仪［２４］。其结构图逡逑如图１－２所示，该结构的传感头是先在一段单模光纤和一段多模光纤之间熔接逡逑一段空心光纤，然后将多模光纤预留一定长度后切断，构成了两个级联的法珀逡逑（ＦＰ）腔组成

？娍逡逑图１－３采用离子聚焦技术加工的开放腔ＦＰＩ传感器逡逑２０１３年，Ｄａｎｉｅｌ等人提出了一种基于光子晶体光纤的ＦＰＩ传感器，如图１－４逡逑所示［２６１。将一段光子晶体光纤与单模光纤通过放电熔接的方式熔接在一起，再逡逑对光子晶体的另一端进行放电，使得光子晶体光纤尾端的空气空塌陷，形成了逡逑一个具有二氧化硅膜的空气腔。对该结构的ＦＰＩ传感器进行折射率实验，实验逡逑结果显示在外界折射率在１．０￣１．４７３ＲＩＵ范围内变化时，千涉谱的条纹对比度变逡逑化了邋４．７ｄＢｍ，即折射率灵敏度为９．９４ｄＢ／ＲＩＵ。逡逑Ａｉｒ－Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ逡逑—＂．．．逦逦逡逑图１４基于光子晶体光纤的ＦＰＩ传感器逡逑２０１５年，Ｒａｎｊｂａｒ等人报道了一种新型的微硅球复合腔ＦＰＩ光纤传感器［２７］。逡逑该传感器可以同时测量折射率（ＲＩ）和温度。该结构通过使用毛细管制造的微逡逑硅球，以及微二氧化硅球和光纤之间的空气缝隙形成复合ＦＰ腔。这种传感器的逡逑温度交叉灵敏度足够小

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本文编号：2769775