基于纳米薄膜的模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感器研究

发布时间：2017-08-04 03:18

  本文关键词：基于纳米薄膜的模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感器研究

  更多相关文章： 光子晶体光纤 甲烷传感器 敏感薄膜折射率 有限元法 模间干涉

【摘要】：随着光纤传感技术的快速发展,光纤气体传感器的研究受到广泛重视。甲烷是矿井瓦斯主要成分,在空气中极易发生爆炸,被视为煤矿事故的“头号杀手”,故监测其浓度意义重大。光子晶体光纤具有不同于传统光纤的传输特性,从而使其在传感方面具有很好的应用,而它在结构上的多孔特点,又使其在气体传感方面具有特殊的应用。论文提出一种基于模间干涉的光子晶体光纤(PCF)甲烷传感方法,采用模间干涉原理分析甲烷传感器的导光机理,并通过有限元法仿真分析PCF甲烷传感过程;研究敏感薄膜折射率对甲烷的响应特性;利用光纤偏移熔接、毛细浸涂法制作PCF甲烷敏感薄膜传感器;建立甲烷传感实验系统,评价传感器性能。主要内容包括:(1)基于模间干涉原理,理论分析敏感薄膜折射率、厚度和作用长度对PCF反射干涉谱特征波长的影响。采用有限元法分析纤芯基模和包层模电场分布、纤芯基模和包层模有效折射率,模间有效折射率差(PCF特征波长)随纳米薄膜折射率、厚度和作用长度的变化规律。仿真结果表明,随着敏感膜厚度从100nm增加至300nm和薄膜折射率从1.455减少至1.410时,模间有效折射率差呈缓慢下降趋势,干涉谱特征波长向短波方向移动。(2)以Cryptophane A/紫外光固化氟硅氧烷纳米薄膜为对象,研究甲烷浓度对薄膜折射率影响;在线测量结果表明敏感薄膜折射率随甲烷浓度增加而线性减小,相关系数0.996。通过优化光纤熔接参数、PCF塌缩长度、薄膜涂覆工艺,配制敏感膜涂覆溶液,并采用光纤偏移熔接、毛细浸涂技术制作PCF甲烷敏感薄膜传感器,表明光子晶体光纤最佳塌缩长度约240μm。(3)在0%~3.5%甲烷浓度范围里,实验研究不同敏感薄膜厚度、PCF作用长度对干涉谱特征波长影响,表明随着甲烷浓度增加,敏感膜折射率减小,从而引起干涉谱特征波长向短波方向移动。在薄膜厚度110nm至290nm范围内,240nm厚度的传感器表现出良好的线性关系,相关系数0.994。同时,研究非甲烷类气体硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)和氮气(N2)对传感器影响,表明传感器具有良好的选择性。
【关键词】：光子晶体光纤 甲烷传感器 敏感薄膜折射率 有限元法 模间干涉
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 引言8-9
• 1.2 光子晶体光纤9-11
• 1.3 光子晶体光纤传感器11-18
• 1.3.1 表面等离子体共振型光子晶体光纤传感器11-13
• 1.3.2 表面增强拉曼散射型光子晶体光纤传感器13-14
• 1.3.3 光栅型光子晶体光纤传感器14-15
• 1.3.4 光谱吸收型光子晶体光纤传感器15-16
• 1.3.5 干涉型光子晶体光纤传感器16-18
• 1.4 光子晶体光纤甲烷传感器国内外研究现状18-19
• 1.5 论文研究目的及主要研究内容19-20
• 2 光子晶体光纤甲烷传感原理分析20-32
• 2.1 光纤模式20-21
• 2.2 传感原理21-23
• 2.3 光子晶体光纤的理论分析方法23-25
• 2.4 有限元法分析光子晶体光纤甲烷传感器25-30
• 2.4.1 有限元法中的泛函和变分25-26
• 2.4.2 有限元法中的里兹变分原理26-27
• 2.4.3 有限元法分析传感过程27-30
• 2.5 小结30-32
• 3 传感器仿真分析32-42
• 3.1 传感器仿真过程32-34
• 3.2 结构参数对传感器性能影响34-40
• 3.2.1 敏感薄膜折射率影响35-37
• 3.2.2 甲烷敏感薄膜厚度影响37-38
• 3.2.3 光子晶体光纤作用长度影响38-40
• 3.3 小结40-42
• 4 传感器制作42-58
• 4.1 光子晶体光纤与单模光纤熔接42-49
• 4.1.1 熔接参数优化42-44
• 4.1.2 光子晶体光纤塌缩长度选择44-49
• 4.2 空气孔内表面敏感薄膜制备49-56
• 4.2.1 敏感溶液配制49-50
• 4.2.2 敏感薄膜涂覆50-56
• 4.3 小结56-58
• 5 传感器实验与结果分析58-74
• 5.1 甲烷浓度对敏感薄膜折射率影响58-61
• 5.1.1 薄膜折射率在线测量装置58-59
• 5.1.2 单晶硅片表面敏感薄膜制备59-60
• 5.1.3 结果与讨论60-61
• 5.2 传感实验装置61-63
• 5.3 传感器对甲烷的响应特性63-72
• 5.3.1 薄膜厚度对传感器影响63-67
• 5.3.2 作用长度对传感器影响67-69
• 5.3.3 可逆性69
• 5.3.4 选择性69-70
• 5.3.5 温湿度特性70-72
• 5.4 现场瓦斯样品测量72-73
• 5.5 小结73-74
• 6 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-86
• 附录86
• A 作者在攻读学位期间发表的论文及专利目录86
• B 作者在攻读学位期间参与的科研项目86

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本文编号：617520