光纤气泡微腔传感及回音壁模式调控技术

发布时间：2018-06-11 14:13

  本文选题：光纤传感器 + 电弧放电　； 参考：《深圳大学》2017年博士论文

【摘要】：光纤传感器已经广泛应用于物理、化学以及生物测量等领域,其中干涉型光纤传感器更是研究的热点。目前,采用空气微腔干涉的光纤传感器已经被广泛应用在折射率、温度、应变、压力等物理量传感。本论文针对气泡微腔形成的光纤器件,展开了理论分析、微腔制备、传感应用以及模式调控等几方面研究工作。本论文主要创新点:(1)利用优化改进的电弧放电技术制备光纤端面气泡微腔,实现了亚微米厚度(320nm)的全石英薄膜制备,进一步将该气泡微腔形成了光纤FPI且应用到气压传感领域;同时,利用对FPI干涉光谱的包络实时监测,实现了石英薄膜的厚度评估。实验中,我们测试了光纤端面气泡微腔的气压响应:测试样品具有500 nm厚的石英薄膜,在波长1550 nm附近获得气压灵敏度为1036 pm/MPa且对应温度引起气压交叉干扰为960Pa/?C。该端面气泡微腔的特殊稳定结构使其更适合于高压恶劣环境中应用。(2)理论分析薄膜结构参数与其气压响应的关系,提出光纤端面气泡微腔的气压曾敏方案。优化电弧放电技术,实现了亚微米级石英薄膜的整形、转移及焊接的一整套热加工技术,且成功完成具有170 nm厚全石英薄膜的光纤端面微腔制备。这也是目前报道的最薄石英薄膜。实验结果表明,具有类似厚度薄膜情况下,其整形之后的光纤FPI对气压响应灵敏度提高到了12.2 nm/kPa,相对光纤端面气泡气压灵敏度提高了285倍。此外,该器件耐受温度测试高达1000oC,且具有良好的高温稳定性。(3)利用液体高温汽化原理实现了光纤圆形气泡微腔的制备且形成光纤FPI应变传感器。同时,采用优化的电弧放电技术完成了气泡微腔整形,从根本解决了该类器件干涉对比度低的缺陷。此外,我们实现了该类器件应变灵敏度的增敏技术,通过整形降低气泡微腔腔长成功将初始应变灵敏度2.9 pm/μ?提高到6.0 pm/μ?;测试还发现该器件温度响应为1.1 pm/?C,这也降低了温度与应变的交叉干扰。(4)理论分析气泡微腔结构参数与其应变响应的关系,提出光纤椭圆形气泡微腔的应变曾敏方案。提出并实现一种光纤矩形气泡微腔制备技术,该微腔结构独特且径向侧边壁厚仅仅为~1μm。基于矩形气泡微腔的光纤FPI具有高灵敏应变传感特性,实验测试腔长为61μm矩形气泡微腔的应变灵敏为43.0 pm/μ?,其相比其它类型微腔的应变响应提高了一个数量级。此外,器件温度响应仅为2.0 pm/?C且温度引起应变交叉干扰小于0.046μ?/?C。详细的理论分析与计算获得矩形气泡微腔应变增敏的具体原因,且理论数值和实验结果非常吻合。(5)提出一种新型基于光纤矩形气泡的WGM谐振器。实验中,利用微纳光纤耦合并激发光纤矩形微腔的WGM谐振模式,谐振腔直径为~78μm且形成谐振自由光谱范围(FSR)为6.9 nm。我们对实验数据利用洛伦兹函数拟合,测量获得该光纤矩形气泡作为WGM谐振腔的品质因数可高达Q~106;为了控制WGM谐振波长,进一步,搭建了WGM谐振模式的应变调控系统,通过施加不同的应变实时调控WGM谐振模式,实验获得了应变调控谐振波长量为-14.12 pm/μ?。结合应变施加过程的结构力学分析,给出了详细的应变调控机理。
[Abstract]:The optical fiber sensor has been widely used in physics , chemistry and biological measurement , and the interferometric fiber sensor has been widely used in the fields of refractive index , temperature , strain , pressure and so on . ( 4 ) The relationship between the parameters of the bubble microcavity structure and its strain response is analyzed in theory , and the strain sensitivity scheme of the fiber rectangular bubble microcavity is proposed . In the experiment , a new strain control system based on rectangular bubble micro - cavity is proposed .
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN253;TP212
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本文编号：2005552