宽光谱倏逝波型光纤化学传感器的研究

发布时间：2017-10-17 15:01

  本文关键词：宽光谱倏逝波型光纤化学传感器的研究

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【摘要】：在物质成分探测或特定物质含量测量分析领域,由于倏逝波型光纤传感器相对传统光纤传感器具有结构简单、响应速度快、光谱范围宽、成本低等优势,已逐渐成为研究和发展的重点。本文对基于倏逝波理论的光纤化学传感器的传感原理进行了理论分析,提出一种超长分段结构光纤倏逝波传感器。运用光束传播法对本征直形和分段结构光波导进行数值模拟,构建了宽光谱分析检测系统,进行相应的实验验证,从理论,模拟,实验三个方面研究基于超长分段结构倏逝波型光纤化学传感器的传感特性。本文结合光纤光场分布,光吸收损耗分别得出了基于光线理论的倏逝波传感原理。依据倏逝波传感原理,建立了倏逝波型光纤传感器的理论模型,运用时域有限差分光束传播法数值分析了光纤倏逝波传感器的几何结构参数与传感器灵敏度关系。在理论数值分析和初步实验研究的基础上,本文设计研制了超长分段结构倏逝波型光纤传感器,通过化学腐蚀方法制备出不同结构参数的倏逝波传感器,并用不同浓度亚甲基蓝溶液对传感器的灵敏度特性进行实验验证。实验结果表明:倏逝波型光纤传感器传感区纤芯直径越细,长度越长,分段数越多,其灵敏度越高。并应用制作的光纤倏逝波传感器进行水质参数测量,研究了水质监测指标中的高锰酸盐浓度和磷酸根离子浓度,建立了物质浓度与测量吸光度的关系曲线,结果显示二者具有良好的线性关系,为光纤倏逝波传感器应用于实际水质监测提供了理论模型,具有重要的实践指导意义。制备和实验结果表明,该传感器大大提高了灵敏度和检出限,并且有效解决了光纤太细而不易封装,光纤太长而使系统不易设计构造等问题。该传感器灵敏度高、响应速度快、结构简单、易制备、易封装、重复性好,具有良好的应用开发前景。
【关键词】：光纤倏逝波 倏逝波型光纤传感器 分段结构 灵敏度 宽光谱 时域有限差分光束传播法(FD-BPM) 水质检测
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-22
• 1.1 课题研究背景及意义13-14
• 1.2 倏逝波型光纤化学传感器原理及发展状况14-19
• 1.3 倏逝波型光纤化学传感器的应用19-20
• 1.4 本文主要研究内容与结构安排20-21
• 1.5 本章小结21-22
• 2 光纤光学理论与倏逝波传感原理22-33
• 2.1 阶跃光纤的光线理论22-23
• 2.2 阶跃光纤波导中的电磁场方程23-25
• 2.3 阶跃光纤波导中的特征方程25-28
• 2.3.1 光纤纤芯中的场分布25-26
• 2.3.2 光纤包层中的场分布26-27
• 2.3.3 边界条件及特征方程27-28
• 2.4 倏逝波传感理论28-30
• 2.4.1 倏逝波的透射深度28-29
• 2.4.2 倏逝波传感原理29-30
• 2.5 RSoft软件介绍30-32
• 2.5.1 BeamPROP软件功能简介30-31
• 2.5.2 BeamPROP软件使用简介31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 3 光纤倏逝波传感器理论模拟分析33-43
• 3.1 本征直形倏逝波传感器理论模拟分析33-36
• 3.1.1 理论模型及传感原理33-34
• 3.1.2 本征直形FD-BPM数值模拟与分析34-36
• 3.2 分段结构倏逝波传感器理论模拟分析36-42
• 3.2.1 理论模型及传感原理36-37
• 3.2.2 分段结构FD-BPM模拟与分析37-42
• 3.3 本章小结42-43
• 4 超长结构倏逝波型光纤化学传感器的研究43-58
• 4.1 光纤腐蚀液的配制及化学腐蚀速率的测定43-46
• 4.2 倏逝波型光纤化学传感器的制备46-49
• 4.3 实验系统设计49-57
• 4.3.1 材料及仪器49-50
• 4.3.2 宽光谱测量系统搭建50-52
• 4.3.3 实验结果与分析52-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 宽光谱倏逝波型光纤化学传感器的应用58-63
• 5.1 实验材料58
• 5.2 光纤水质高锰酸盐检测58-60
• 5.3 光纤水质磷酸根离子检测60-62
• 5.4 本章小结62-63
• 6 总结与展望63-65
• 6.1 主要工作和总结63-64
• 6.2 改进与展望64-65
• 参考文献65-70
• 作者简历70

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本文编号：1049471