發(fā)布時(shí)間：2018-04-25 04:02

  本文選題：塑料光纖 + 多模光纖��； 參考：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：折射率是材料和物質(zhì)的重要光學(xué)參數(shù)之一,對(duì)它的測(cè)量可以直接或間接反映被測(cè)物質(zhì)和材料的濃度、溫度以及應(yīng)力等性質(zhì)和狀態(tài)。因此,折射率傳感技術(shù)可以在生物、化學(xué)以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。利用光纖傳感技術(shù)測(cè)量折射率,具有響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn),被人們廣泛研究,并取得了較好的進(jìn)展。目前人們提出了許多基于光纖傳感技術(shù)的折射率傳感器,其中大多數(shù)都屬于石英光纖基的折射率傳感器,而隨著人們對(duì)低價(jià)格、一次性使用的生化傳感器的追求,塑料光纖折射率傳感器引起了人們的關(guān)注,因?yàn)樗芰瞎饫w具有價(jià)格低廉、易于加工與連接、可見光操作等特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)廉價(jià)折射率傳感解決方案的理想光纖。本論文以實(shí)現(xiàn)低成本和高靈敏的折射率傳感為目的,對(duì)塑料光纖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉錐、側(cè)拋,以及機(jī)械壓模等修飾改造。提出并制備了三種不同結(jié)構(gòu)的塑料光纖折射率傳感器,即拉錐、側(cè)拋以及長(zhǎng)周期光柵(LPG)型塑料光纖折射率傳感器。研究了它們的折射率傳感特性,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),提高了器件的傳感特性。得到的主要研究結(jié)果如下:首先,采用熱熔拉伸法制備了不同錐腰直徑的錐形塑料光纖,并利用熱定型法將其制成了U形拉錐塑料光纖折射率傳感探頭。將錐形與宏彎曲結(jié)構(gòu)相結(jié)合,提高了折射率的傳感特性。主要研究了光纖的錐腰直徑,宏彎曲曲率半徑以及是否帶有包層等因素對(duì)其傳感特性的影響。研究得到,帶包層U形拉錐塑料光纖的折射率傳感范圍為1.333-1.410,當(dāng)宏彎曲曲率半徑和錐腰直徑分別為2.0mm和250μm時(shí),其靈敏度可達(dá)937%/RIU,分辨率為7.11×10-4RIU。通過去掉包層,其折射率的傳感范圍擴(kuò)大到1.333-1.450,但靈敏度有所下降,為800%/RIU,分辨率為5.55×10-4RIU。另外,我們還分析與研究了該種光纖探頭在10-60℃下的溫度依賴特性,并給出了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒�。其�?采用拋磨的方法制備了側(cè)拋塑料光纖,研究了直條形和U形兩種側(cè)拋塑料光纖的折射率傳感特性。研究發(fā)現(xiàn),直條形側(cè)拋塑料光纖對(duì)折射率傳感的靈敏度不高,而將其彎曲制成U形結(jié)構(gòu)探頭之后,傳感特性有明顯的提升。因此,我們重點(diǎn)研究了U形側(cè)拋塑料光纖的折射率傳感特性,不僅分析了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)折射率傳感靈敏度的影響,還分析了分辨率、線性度、重復(fù)性以及溫度依賴特性等指標(biāo)參數(shù)。結(jié)果顯示,當(dāng)塑料光纖的拋磨深度為400μm,拋磨長(zhǎng)度為10 mm,宏彎曲曲率半徑為2.0 mm時(shí),其折射率傳感特性最優(yōu),在1.333-1.450測(cè)量范圍內(nèi)的靈敏度可達(dá)864%/RIU,分辨率為3.3×10-4RIU。此外,還分析了塑料光纖表面拋磨質(zhì)量對(duì)折射率傳感特性的影響。最后,探索了一種簡(jiǎn)單的機(jī)械壓模方法,用其制備了塑料光纖多溝槽結(jié)構(gòu)的LPG,并研究了它的折射率傳感特性。分別研究了帶有LPG的直條形和U形塑料光纖的折射率傳感特性。研究發(fā)現(xiàn),直條形塑料光纖LPG對(duì)折射率的變化不太敏感,但卻可以得到一個(gè)較大的折射率測(cè)量范圍,在1.333-1.410和1.410-1.450的折射率范圍內(nèi),其靈敏度分別為143%/RIU和287%/RIU。而將其宏彎曲以后,在1.333-1.410的折射率測(cè)量范圍內(nèi),其折射率傳感特性得到了明顯提升。通過改變塑料光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),優(yōu)化了其折射率的傳感特性。當(dāng)U形塑料光纖LPG探頭的宏彎曲曲率半徑為3mm,LPG溝槽深度為200μm、長(zhǎng)度為10 mm、周期為1 mm時(shí),傳感器的靈敏度與分辨率分別為1130%/RIU和8.44×10-4 RIU。最后,我們還給出了該傳感探頭的線性度、重復(fù)性及溫度穩(wěn)定性等特性指標(biāo)。
[Abstract]:Refractive index is one of the important optical parameters of material and material. The measurement of the refractive index can directly or indirectly reflect the properties and states of the measured material and material, such as the temperature and stress. Therefore, the refractive index sensing technology can be used in the fields of biology, chemistry and medical treatment. Due to the advantages of fast speed, anti electromagnetic interference and remote operation, it has been widely studied and made good progress. At present, many refractive index sensors based on optical fiber sensing technology have been proposed, most of which belong to the refractive index sensor of quartz fiber base, and with people's low price, a one-time use of biochemical transmission. The refractive index sensor of plastic optical fiber has attracted people's attention because of its low price, easy processing and connection, visible light operation and so on. It is an ideal optical fiber for the realization of low cost refractive index sensing solution. This paper aims at realizing low cost and high sensitive refractive index sensing. The structure is modified with taper, side throwing, and mechanical die pressure modification. Three kinds of refractive index sensors for plastic optical fiber are proposed and fabricated, which are taper, side throwing and long period grating (LPG) plastic fiber refractive index sensor. The characteristics of their refractive index sensing are studied. By optimizing the structure parameters, the sensor sensor is improved. The main results obtained are as follows: first, the tapered plastic optical fiber with different cone and waist diameter is prepared by hot melt drawing, and the refractive index sensor of U shaped taper plastic fiber is made by heat setting method. The sensing characteristic of the refractive index is improved by combining the conical and macro bending structure, and the conical waist of the fiber is mainly studied. The influence of the diameter, the radius of the curvature of the macro curvature and the inclusion of the cladding on its sensing characteristics is studied. It is obtained that the refractive index sensing range of the U shaped taper plastic fiber with a cladding is 1.333-1.410. When the radius of curvature of the macro and the diameter of the conical waist is 2.0mm and 250 m respectively, the sensitivity can reach 937%/RIU and the resolution is 7.11 x 10-4RIU.. The sensing range of the refractive index is expanded to 1.333-1.450, but the sensitivity is reduced to 800%/RIU and the resolution is 5.55 x 10-4RIU.. We also analyze and study the temperature dependence of this kind of optical fiber probe at 10-60 C, and give the method of temperature compensation. Secondly, the side throwing plastic fiber is prepared by the method of polishing. The refractive index sensing characteristics of two kinds of side throwing plastic fibers with straight bar and U shape are studied. It is found that the sensitivity of the straight stripe flside plastic fiber to the refractive index sensing is not high, and the sensing characteristic of the U shaped structure probe is obviously improved after it is bent into the probe. Therefore, we focus on the refractive index sensing of the U shaped side throwing plastic fiber. Not only the influence of optical fiber structure parameters on the sensitivity of refractive index sensing is analyzed, but also the parameters such as resolution, linearity, repeatability and temperature dependence are also analyzed. The results show that when the polishing depth of the plastic fiber is 400 m, the polishing length is 10 mm and the radius of the macro curvature is 2 mm, the refractive index sensing characteristic is optimal, at 1.. The sensitivity of the 333-1.450 measurement range is up to 864%/RIU, with a resolution of 3.3 x 10-4RIU.. The influence of the quality of the surface polishing of the plastic optical fiber on the refractive index sensing characteristics is also analyzed. Finally, a simple mechanical die pressing method is explored. The LPG of the multi groove structure of the plastic optical fiber is prepared and its refractive index sensing characteristics are studied. The refractive index sensing characteristics of the straight strip and U shaped plastic optical fiber with LPG are studied respectively. It is found that the straight bar plastic fiber LPG is not very sensitive to the change of the refractive index, but it can get a larger measurement range of refractive index. The sensitivity is 143%/RIU and 287%/RIU. in the refractive index of 1.333-1.410 and 1.410-1.450, respectively. After bending the macro, the refractive index sensing characteristics of 1.333-1.410 are obviously improved in the range of refractive index measurement. By changing the structural parameters of the plastic optical fiber, the sensing characteristics of the refractive index are optimized. When the curvature radius of the U shaped plastic optical fiber LPG probe is 3mm, the LPG groove depth is 200 u m, the length is 10 mm, and the cycle is 1. At mm, the sensitivity and resolution of the sensor are 1130%/RIU and 8.44 x 10-4 RIU., respectively. We also give the linearity, repeatability and temperature stability of the sensor.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN253

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本文編號(hào)：1799647