基于飞秒激光加工的微孔单模光纤液体折射率传感器研究

发布时间：2017-05-04 06:10

  本文关键词：基于飞秒激光加工的微孔单模光纤液体折射率传感器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现有的拉锥光纤传感器因制作简单、实用性高、分辨率高等优点而得到广泛研究。但是为了提高拉锥光纤传感器的灵敏度,通常需要把光纤拉制的又细又长,常见的拉锥光纤传感装置光纤的锥区长度达到几厘米,等腰区直径达到纳米量级,因此在测量和应用过程中传感装置不易保存,并且不利于微小环境测量。而由于现有的微孔传感装置主要通过改变孔内折射率来实现传感,所以对于广泛应用有一定局限性。因此,本文提出一种飞秒激光器加工的微孔拉锥光纤传感装置,该传感装置锥区长度较短,锥区直径较大,传感头利于保存,并可用于微小环境的测量。本文提出微孔拉锥光纤液体折射率传感器,该传感器是基于拉锥光纤中的光功率受到外界环境影响的特性来实现对外界液体折射率的测量。拉锥光纤的锥区长度不超过800μm,锥区直径大于30μm,采用飞秒激光直写技术在拉锥光纤纤芯位置制作微孔,封孔以后孔内为空气。单模光纤通过拉锥作用减小了纤芯直径而导致纤芯中的部分光功率转移到了包层中,光纤包层中的光波功率随拉锥处外界液体折射率的变化而变化,因而,通过探测拉锥光纤的光功率就能实现对液体折射率的测量。纤芯处的微孔充当一负透镜,具有发散光的作用,使纤芯中沿轴向传输的光波功率更多的进入到包层,外界液体折射率发生变化时由于微孔的作用导致包层中更多光波的功率发生变化,因而不用将拉锥光纤拉制很细即可实现对液体折射率的高灵敏探测。本文讨论了拉锥光纤传感装置传感头的不同参数对液体折射率测量结果的影响。利用光线传输原理实际分析了孔在不同位置、不同拉锥直径时对于传感灵敏度的影响。定量分析了孔的存在对于芯包分界面入射角的影响,制作模拟曲线,模拟曲线表明:随着拉锥光纤直径的减小,传感装置测量外界液体折射率的灵敏度会增加;孔的位置距离等腰区越近,传感装置的灵敏度也会增加。实验结果与所提出理论相符合。本文中详细说明了拉锥传感头的制作过程,并分列出加工过程光学器件与传感头参数的关系。本实验通过配置甘油与水的混合溶液得到折射率范围为1.333-1.445之间的液体,折射率间隔为0.014,将传感探头依次置于上述溶液中,每次测量之前用乙醇清洗传感头。实验采用波长为1550nm的近红外激光通入传感装置,记录传感头周围液体折射率改变时,输出端传输损耗的改变。通过origin软件给出光传输损耗与折射率变化的关系,得到光纤传感器的灵敏度在1.417-1.445范围内最高可达到214.29d B/RIU。
【关键词】：拉锥光纤 微孔 液体折射率 飞秒激光
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN249
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 光纤传感器概述11-13
• 1.1.1 光纤传感器的原理11
• 1.1.2 光纤传感器的分类11-12
• 1.1.3 光纤传感器的优点12-13
• 1.2 折射率传感器的研究13-16
• 1.2.1 折射率测量技术的几种方法13-14
• 1.2.2 用光纤传感器测量液体折射率的方法14-16
• 1.3 本论文的主要研究工作16-18
• 第2章 玻璃光纤的特性研究18-24
• 2.1 光纤的分类18-20
• 2.1.1 按光纤的制作材料分类18
• 2.1.2 按照折射率分布分类18-19
• 2.1.3 按光波在光纤中的传输模式分类19-20
• 2.2 单模玻璃光纤的主要特性20-22
• 2.2.1 一些与本实验有关的参数20-22
• 2.3 光纤中的光线传输22-24
• 2.3.1 阶跃光纤中的光线分析22-23
• 2.3.2 光线传输理论23-24
• 第3章 拉锥光纤与微孔光纤的特性研究24-31
• 3.1 拉锥光纤传感装置的特性研究24-27
• 3.1.1 拉锥光纤的传感机理24-26
• 3.1.2 拉锥光纤传感器的研究现状26-27
• 3.2 微孔光纤传感装置的特性研究27-30
• 3.2.1 单孔光纤液体折射率传感装置的传感机理27-28
• 3.2.2 多孔传感装置的传感机理28-29
• 3.2.3 微孔光纤传感器的研究现状29-30
• 3.3 新型传感装置的提出30-31
• 第4章 微孔拉锥光纤液体折射率传感器的传感机理31-40
• 4.1 微孔拉锥光纤传感器测量折射率的原理31-34
• 4.2 影响传感装置灵敏度的因素34-35
• 4.2.1 孔的位置对于传感装置灵敏度的影响34-35
• 4.2.2 等腰区半径对于传感装置灵敏度的影响35
• 4.3 非平行光线光传输过程的讨论35-38
• 4.4 光线在等腰区包层中的传播情况38-40
• 第5章 微孔拉锥光纤液体折射率传感器的实验过程40-51
• 5.1 锥形单模光纤的制作方法40-42
• 5.2 微孔拉锥单模光纤的制作方法42-46
• 5.2.1 飞秒激光对透明介质材料的加工机理42-43
• 5.2.2 微孔拉锥单模光纤的制作43-45
• 5.2.3 封闭微孔的方法45-46
• 5.3 锥区微孔玻璃光纤液体折射率传感器的传感系统46-48
• 5.3.1 传感装置的主要结构46-47
• 5.3.2 传感装置中的折射率测量环境47
• 5.3.3 拉锥光纤液体折射率传感装置实验47-48
• 5.4 锥区微孔光纤液体折射率传感装置实验48-51
• 5.4.1 实验过程及实验数据48-50
• 5.4.2 实验结论50-51
• 论文总结与展望51-53
• 参考文献53-57
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果57-58
• 致谢58

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  本文关键词：基于飞秒激光加工的微孔单模光纤液体折射率传感器研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：344541