基于微结构光纤的气体和表面等离子体共振传感器研究

发布时间：2020-10-08 15:37

　　微结构光纤也被称为光子晶体光纤(当光纤中的孔周期排列时),由沿着整个光纤长度方向排列的空气孔组成,提供许多传统光纤不能提供的新功能。由于独特的几何结构,微结构光纤的特殊性能在传感应用中展现出了杰出的潜力。本文从理论和实验方面研究了利用微结构光纤的气体传感器,并设计和分析了利用微结构光纤的表面等离子体共振传感器实现折射率和温度的传感。主要内容包括以下几部分:1.气体传感器在理论上,我们分析了亚波长悬浮纤芯的微结构光纤在气体传感领域的应用。对光纤参数和材料折射率对传感器的相对灵敏度,有效模场面积和限制损耗的影响做了分析。确定了该光纤发展成为具有高灵敏度,大有效模场面积和低损耗的气体传感器的可能。在实验上,我们利用光子带隙型微结构光纤和波分复用器,设计了一个三点探测的乙炔气体传感器,选用乙炔气体的三个吸收峰:1530.371nm、1532.830和1536.712nm,实现同时探测了三个气体室的气体吸收光谱。2.折射率传感器我们提出了基于六孔微结构光纤表面等离子体共振的折射率传感器,该光纤的大孔非常方便进行镀膜和分析物的填充的操作,分析了光纤材料折射率对传感器灵敏度的影响。我们研究了基于暴露芯微结构光纤表面等离子体共振传感器,分析了该传感器在探测分析物的折射率从1.33到1.42范围内的传感特性。为了解决在微结构光纤表面等离子体共振传感器存在的相位匹配和分析物填充的问题,我们提出了基于D型空芯的微结构光纤表面等离子体共振传感器,并分析了纤芯的空气孔对传感器在波长,振幅和相位下检测的灵敏度的影响。3.温度传感器我们提出了利用六孔微结构光纤表面等离子体共振的温度传感器。光纤孔内镀银膜或填充银线,利用较大热-光系数的混合液体(乙醇和氯仿)作为传感介质,获得了较高的温度灵敏度。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP212
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 光纤传感器的原理与分类
        1.1.1 外置式光纤传感器
        1.1.2 内置式光纤传感器
    1.2 微结构光纤
        1.2.1 折射率引导型微结构光纤
        1.2.2 光子带隙型微结构光纤
    1.3 微结构光纤在传感领域的应用
        1.3.1 物理传感器
        1.3.2 生物化学传感器
    1.4 论文的主要内容
第二章折射率引导型微结构光纤气体传感器
    2.1 光纤气体传感器原理
    2.2 常见的光纤气体传感器
        2.2.1 单模光纤气体传感器
        2.2.2 D型光纤气体传感器
        2.2.3 锥型光纤气体传感器
        2.2.4 纳米线光纤气体传感器
        2.2.5 微结构光纤气体传感器
    2.3 悬浮芯光纤气体传感器
        2.3.1 悬浮芯光纤气体传感器设计与模拟
        2.3.2 光纤结构对传感器相对灵敏度的影响
        2.3.3 光纤结构对传感器有效模场面积的影响
        2.3.4 光纤结构对传感器限制损耗的影响
        2.3.5 本节小结
    2.4 本章小结
第三章光子带隙型微结构光纤气体传感器
    3.1 光子带隙型微结构光纤气体传感器原理
    3.2 光子带隙型微结构光纤气体传感研究
        3.2.1 光纤的结构和参数
        3.2.2 气体室的设计
        3.2.3 乙炔气体检测
        3.2.4 乙炔气体多点检测
        3.2.5 本节小结
    3.3 本章小结
第四章微结构光纤表面等离子体共振折射率传感器
    4.1 表面等离子体共振原理
    4.2 光纤表面等离子体共振传感器
    4.3 微结构光纤表面等离子体共振传感器
    4.4 六孔微结构光纤表面等离子体共振折射率传感器
        4.4.1 结构设计与模拟
        4.4.2 结果与分析
        4.4.3 本节小结
    4.5 暴露纤芯的微结构光纤表面等离子体共振折射率传感器
        4.5.1 结构设计与模拟
        4.5.2 结果与讨论
        4.5.3 本节小结
    4.6 D型空芯微结构光纤表面等离子体共振折射率传感器
        4.6.1 结构设计与模拟
        4.6.2 结果与讨论
        4.6.3 本节小结
    4.7 本章小结
第五章微结构光纤表面等离子体共振温度传感器
    5.1 表面等离子体共振温度传感器原理
    5.2 六孔微结构光纤的表面等离子体共振温度传感器
        5.2.1 结构设计与模拟
        5.2.2 结果与分析
        5.2.3 本节小结
    5.3 填充银线的微结构光纤表面等离子体共振温度传感器
        5.3.1 结构设计与模拟
        5.3.2 结果与分析
        5.3.3 本节小结
    5.4 本章小结
总结与展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢

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