镀高折射率纳米薄膜长周期光纤光栅传感特性研究

发布时间:2018-01-19 16:15

  本文关键词: 长周期光纤光栅 原子层沉积技术 折射率 温度 级联长周期光纤光栅 温度交叉敏感 出处:《上海大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:长周期光纤光栅(Long period fiber grating,LPFG)是一种重要的光纤器件,具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等诸多优点,在现代光纤通信与传感领域发挥着重要的作用。LPFG对多种环境参量,如温度、应力、应变等敏感,尤其是对外界环境折射率(surrounding refractive index,SRI)敏感,能够实现实时、远距离、恶劣环境下的多种参数传感,使得其在环境监测、生物医学、石油化工等众多行业应用中具有不可替代的地位。提高LPFG的传感灵敏度、拓展其应用范围、消除交叉敏感是近年来LPFG领域的研究热点。本文采用原子层沉积技术(atomic layer deposition,ALD)将高折射率Al_2O_3、TiO_2纳米薄膜镀在LPFG表面,制备出高灵敏度的折射率、温度传感器;利用级联的镀膜LPFG结构实现了对环境折射率和温度的同时测量。主要研究内容和成果包括以下方面:1、建立四层圆柱形波导模型,利用耦合模理论,采用矢量模分析法对镀高折射率纳米薄膜的LPFG进行了理论研究。讨论了镀膜LPFG对薄膜厚度、薄膜折射率、外界环境折射率的敏感特性。利用模式转换理论对镀膜LPFG增敏机制进行了详细的分析。2、采用ALD技术在LPFG表面镀高折射率Al_2O_3、TiO_2纳米薄膜。通过实验研究了不同薄膜参数条件下,硼锗共掺的光纤上写入的LPFG对SRI的敏感特性。结果表明:镀35 nm TiO_2薄膜的LPFG HE1,14模式在转换区内,SRI灵敏度达到-5000 nm/RIU,比裸LPFG提高了5倍。镀100 nm Al_2O_3薄膜的LPFG HE1,14模式在转换区内,SRI灵敏度达到-3000 nm/RIU,是裸LPFG的3倍。借助可调谐激光器和红外CCD摄像机,首次在实验中观察到了镀膜LPFG的包层模式转换现象。首次对镀膜过耦合LPFG的折射率敏感特性进行了研究。在环境折射率变化过程中,镀膜过耦合LPFG的对比度始终高于普通LPFG,这对于提高LPFG传感准确度具有重要意义。在锥形光纤上制备了LPFG,并镀Al_2O_3薄膜,与相同光栅参数、相同包层模式阶次的普通LPFG相比,镀膜锥形LPFG的SRI灵敏度提高了一个数量级。实验结果表明:拉锥与镀膜这两种工艺均能够有效的提高LPFG的SRI灵敏度。两者相结合,可以进一步提高LPFG的SRI灵敏度。3、提出了一种LPFG的温度增敏方案。在普通的通信用光纤上写入的LPFG表面镀Al_2O_3薄膜之后,采用硅橡胶和紫外固化胶对镀膜LFPG进行封装,利用封装材料的热光特性,有效地提高了LFPG的温度灵敏度。实验结果表明:镀200 nm Al_2O_3薄膜的LFPG在用硅橡胶封装后,在20℃-100℃之间,LFPG的温度灵敏度达到0.77 nm/℃,较之裸LPFG提高9倍。采用紫外固化胶作为封装材料时,在20℃-100℃之间,镀100 nm Al_2O_3薄膜的LFPG温度灵敏度达到1.26 nm/℃,比裸LPFG提高了15倍。研究了基于类似原理的LPFG磁场传感特性。将磁流体包覆在LPFG表面,使得LFPG对环境磁场敏感。用镀膜LPFG替代裸LPFG有效地提高了磁场灵敏度。实验结果表明:镀250 nm Al_2O_3薄膜的LPFG,磁场灵敏度达到120 pm/Oe,比裸LPFG提高了13倍。4、通过级联两个不同参数的镀膜LPFG,实现了温度和环境折射率的双参数同时测量。在硼锗共掺的光纤上写入双峰LPFG1,镀100 nm厚的Al_2O_3薄膜后,LFPG1的SRI灵敏度在转换区内达到-4800 nm/RIU。在普通通信用的光纤上写入LFPG2,镀100 nm厚的Al_2O_3薄膜,采用紫外固化胶封装后,在20℃-40℃之间,LFPG2的温度灵敏度达到3.2 nm/℃。LFPG1对环境折射率和温度均具有较高的灵敏度,且这两个参数(温度和环境折射率)对LPFG2共振波长的调谐作用满足良好的线性叠加特性。LFPG2对环境折射率不敏感、仅对温度具有较高的灵敏度。将上述两个LPFG级联,分别追踪各自的共振波长漂移情况,可以同时对温度和环境折射率实现高灵敏度、高分辨率、准确的测量。该传感器的温度分辨率可以达到0.0063℃;折射率分辨率可以达到64.17 10~(-6)RIU。
[Abstract]:Long period fiber grating (Long period fiber grating, LPFG) is a kind of important optical devices, has the advantages of small volume, light weight, the advantages of anti electromagnetic interference, in modern optical fiber communication and sensing areas play an important role of.LPFG on various environmental parameters, such as temperature, stress, strain and other sensitive, especially the external environment index (surrounding refractive, index, SRI) sensitive, can achieve real-time, remote sensing, various parameters under harsh environment, the biomedical in environmental monitoring, and has an irreplaceable position in many industries such as petroleum chemical application. To improve sensitivity of LPFG, and expand its scope of application, eliminate the cross sensitivity LPFG is a hot research field in recent years. This paper uses the atomic layer deposition technique (atomic layer deposition, ALD) the high refractive index Al_2O_3, TiO_2 nano thin films coated on the surface of LPFG prepared with high sensitivity The degree of refractive index, temperature sensor; realizing the measurement of refractive index and temperature at the same time using LPFG coating structure in cascade. The main research contents and results are as follows: 1, the establishment of four layer cylindrical waveguide model, using the coupled mode theory, analysis of nano film with high refractive index LPFG using the vector model. Discuss the LPFG coating on the film thickness, refractive index, sensitivity to ambient refractive index. Using mode conversion theory radiosensitizingmechanisms on coated LPFG were analyzed with.2, using ALD technology in LPFG surface with high refractive index Al_2O_3, TiO_2 nano film was studied through the experiments of different films. Parameter conditions, sensitivity of b-ge Co doped fiber writing LPFG to SRI. The results showed that: 35 nm TiO_2 plating film LPFG HE1,14 mode in the transition zone, the sensitivity of SRI nm /RIU to -5000, than the bare LPFG increased 5 times. 100 nm Al_2O_3 plating film LPFG HE1,14 mode in the transition zone, the sensitivity of SRI to -3000 nm/RIU, is 3 times the bare LPFG. Using tunable laser and infrared CCD camera, first observed the cladding mode conversion coating of the LPFG phenomenon in the experiment. The first refractive index of coating coupling LPFG rate sensitive characteristics were studied. The change of ambient refractive index in the process of coating coupled LPFG contrast is always higher than that of ordinary LPFG, which is to improve the accuracy of the LPFG sensor has important significance. The tapered fiber was prepared on LPFG and Al_2O_3 thin film plating parameters, with the same grating, the same cladding mode the order of the ordinary compared to LPFG, the sensitivity of SRI coated tapered LPFG is improved by an order of magnitude. The experimental results show that these two kinds of taper and coating process can effectively improve the sensitivity of LPFG SRI. A combination of both, can further To improve the sensitivity of SRI.3 LPFG, proposed a scheme to increase sensitivity of LPFG temperature. After plating Al_2O_3 LPFG thin film surface of common communication optical fiber written, using silicone rubber and UV curing adhesive coating on the LFPG package, the thermal properties of the packaging materials, effectively improve the high temperature sensitivity of LFPG the experimental results show that: 200. Nm Al_2O_3 LFPG plating film on the silicon rubber used for packaging, between 20 DEG -100 DEG, temperature sensitivity of LFPG was 0.77 nm/ C, compared with bare LPFG increased by 9 times. The UV curing adhesive as packaging material, between 20 DEG -100 DEG, temperature sensitivity of LFPG plating 100 nm Al_2O_3 film reached 1.26 nm/ C, LPFG was 15 times higher than bare. The effects of LPFG magnetic field sensor based on the principle of similar characteristics. The magnetic fluid is coated on the surface of LPFG, makes the LFPG sensitive to the environment. The magnetic field can effectively improve the coating with LPFG instead of naked LPFG The magnetic field sensitivity. The experimental results show that the 250 nm Al_2O_3 LPFG plating film, the magnetic field sensitivity of 120 pm/Oe,.4 was 13 times higher than that of naked LPFG, by cascading two different parameters of coated LPFG, realize the double parameters of temperature and refractive index measurement. At the same time into the Shuangfeng LPFG1 in fiber B-Ge-codoped on and with Al_2O_3 film thickness of 100 nm, LFPG1 SRI sensitivity in the transition zone within the reach of -4800 nm/RIU. LFPG2 in written communication with the ordinary fiber, Al_2O_3 film coating thickness of 100 nm, the ultraviolet curing glue packaging, between 20 DEG -40 DEG, the temperature sensitivity of LFPG2 was 3.2 nm/ C.LFPG1 it has high sensitivity to the refractive index and temperature, and the two parameters (temperature and refractive index) tuning effect on LPFG2 resonance wavelength meet.LFPG2 linear superposition of good characteristics is not sensitive to the refractive index, the temperature is only High sensitivity. The two LPFG cascade, we track the resonance wavelength shift of their own, can also on the temperature and refractive index of environment to achieve high sensitivity, high resolution, accurate measurement. The temperature resolution of the sensor can reach 0.0063 DEG C; the refractive index resolution can reach 64.17 10~ (-6) RIU.

【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN253;TP212

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 宋德慧;;浸液法测量单透镜的折射率[J];应用光学;1983年04期

2 张汉壮,国秀珍,姜云,金光旭;相干场作用下介质的探测谱及折射率谱的实验测量[J];光学学报;2000年04期

3 阎冰,陈万湘;C_(60)对有机聚合物折射率的影响[J];河北大学学报(自然科学版);2002年03期

4 解延雷;张涛;朱民;辛督强;;一种二元溶液折射率的计算方法[J];光学技术;2006年S1期

5 俞世钢;;液体折射率测定方法分析[J];光学仪器;2007年04期

6 尉继征;黄宇彬;景遐斌;;傅里叶变换表面等离子体共振频率对金膜表面溶液折射率响应[J];应用化学;2012年02期

7 缪庆元;崔俊;胡蕾蕾;何健;何平安;黄德修;;载流子导引的折射率变化偏振相关性研究[J];物理学报;2012年20期

8 马文英;罗吉;许诚昕;凌味未;汪为民;;金属纳米结构对光谱响应及折射率灵敏度的影响[J];光学学报;2012年12期

9 张树业 ,康维国 ,常丽华 ,文明珠 ,段国正 ,李玉环;多用双变折射仪及其在矿物折射率测定中的应用[J];长春地质学院学报;1981年01期

10 宋德慧;;红外折射率的测定与经验公式的讨论[J];应用光学;1984年03期

相关会议论文 前10条

1 黄耀熊;;折射率微球传感器及其在生物医学的应用[A];第八届全国光生物学学术会议论文摘要集[C];2013年

2 王雨雷;吕志伟;何伟明;;强激光在非线性介质中的自聚焦特性[A];江苏、山东、河南、江西、黑龙江五省光学(激光)联合学术'05年会论文集[C];2005年

3 谭婵源;黄耀熊;;溶液折射率与其温度和浓度的关系研究[A];广东省生物物理学会2013年学术研讨会论文集[C];2013年

4 岳良跃;查悦明;黄耀熊;;可测定生物微区及单个微球折射率简便测定[A];中国遗传学会“第十一届全国激光生物学学术会议”暨《激光生物学报》创刊廿周年庆祝会、第十届粤港生物物理研讨会暨2012年广东生物物理学术年会会议资料[C];2012年

5 李波;辜姣;;运用SPR检测技术测量溶液浓度[A];湖北省物理学会、武汉物理学会2004’学术年会论文集[C];2004年

6 周瑜;贾光明;张贵忠;向望华;刘国标;刘春江;;用高精度法布里-珀罗干涉仪测量液体的折射率[A];第十七届全国激光学术会议论文集[C];2005年

7 赵慧洁;王魁;;分界面厚度方法在气动光学波前失真仿真中的研究[A];2006年全国光电技术学术交流会会议文集(A 光电系统总体技术专题)[C];2006年

8 胡守信;汪秉宏;;高速公路海市蜃楼现象的数值模拟[A];第十六次全国原子、原子核物理研讨会暨全国近代物理研究会第九届年会论文集[C];2006年

9 胡守信;汪秉宏;;高速公路前方海市蜃楼现象的数值模拟[A];全国复杂系统研究论坛论文集(二)[C];2005年

10 王小真;董小鹏;李伟文;;灵敏度增强的光纤Bragg光栅折射率传感特性分析[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年

相关博士学位论文 前10条

1 兰国强;基于液体棱镜耦合方式的表面等离子体共振传感特性和应用研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

2 邹芳;镀高折射率纳米薄膜长周期光纤光栅传感特性研究[D];上海大学;2016年

3 李强;液体折射率及液相扩散系数的测量方法研究[D];云南大学;2013年

4 邓诗涛;变折射率介质中的光传输及像质评价[D];浙江大学;2008年

5 丁金妃;光纤光栅折射率传感技术研究[D];浙江大学;2006年

6 王若晖;新型光纤气体折射率传感器研究[D];西北大学;2014年

7 粟鹏义;非均匀波的反射与透射研究[D];上海交通大学;2009年

8 王槿;基于导数全内反射法的组织复折射率测量及应用研究[D];南开大学;2013年

9 景宁;宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究[D];吉林大学;2015年

10 汪扬春;光纤折射率传感和信号解调技术研究[D];浙江大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 侯佳朋;光纤光栅折射率传感技术研究[D];燕山大学;2015年

2 任琦睿;STMS型光纤液体折射率传感器的研究[D];太原理工大学;2016年

3 吴明宇;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[D];吉林大学;2016年

4 邱旭徽;表面等离子体共振倾斜光纤光栅折射率传感与解调新方法研究[D];暨南大学;2016年

5 李琪;基于倏逝场的塑料光纤液体折射率传感技术研究[D];山东大学;2016年

6 陈旭旺;提高LED封装用环氧树脂折射率的研究[D];南京理工大学;2016年

7 张晨亮;空心光纤中的多模干涉及在折射率传感中的应用[D];天津大学;2009年

8 高伟强;基于线阵CCD的液体折射率实时测量装置设计[D];哈尔滨工程大学;2012年

9 夏国正;近临界流体密度及折射率的实验研究[D];华中科技大学;2009年

10 赵馨艺;不同盐离子对水折射率影响研究[D];河南师范大学;2015年



本文编号:1444918

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/1444918.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户e8184***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com