本文選題：光纖折射率傳感 + 微腔　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：光纖折射率傳感器較傳統(tǒng)的電學(xué)折射率傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊靈巧、耐腐蝕性強(qiáng)、抗電磁干擾等。本文利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿技術(shù)在光纖內(nèi)制備微腔形成了邁克爾遜干涉(Michelson Interferometer,簡(jiǎn)稱MI)傳感結(jié)構(gòu),不僅獲得了超高的折射率靈敏度,而且利用溫度串?dāng)_補(bǔ)償提高了折射率測(cè)量精度,同時(shí)具有反射式結(jié)構(gòu)的緊湊靈巧的優(yōu)點(diǎn)。本文具體工作如下:首先,設(shè)計(jì)了一種多模光纖內(nèi)MI微腔折射率傳感結(jié)構(gòu),從理論上研究了Michelson干涉與法布里珀羅干涉(Fabry-Pérot Interferometer,簡(jiǎn)稱FPI)相結(jié)合的折射率傳感特性,并研究了FPI干涉峰傳感特性對(duì)MI干涉峰折射率測(cè)量的溫度串?dāng)_補(bǔ)償作用。同時(shí)利用MATLAB軟件模擬了折射率和溫度靈敏度傳感特性,并對(duì)微腔尺寸及相對(duì)位置對(duì)反射光譜的影響,確定了微腔的最優(yōu)參數(shù)。然后,在實(shí)驗(yàn)上利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿技術(shù)和熔接技術(shù)制備了多模光纖內(nèi)MI微腔折射率傳感結(jié)構(gòu),并研究了其折射率和溫度傳感特性。在1.333-1.3487內(nèi),MI干涉峰達(dá)到了極高的靈敏度為 11523.8nm/RIU,在18.77-55.38oC內(nèi),空氣中溫度靈敏度為49.43pm/oC。同時(shí)通過測(cè)量FPI干涉峰的靈敏度對(duì)折射率測(cè)量進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,降低了溫度串?dāng)_,提高了折射率測(cè)量精確度。最后,通過光束傳播法(Beam Propagation Method,簡(jiǎn)稱BPM)軟件Rsoft中Beam PROP功能對(duì)多模光纖內(nèi)MI微腔折射率傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)并制備了一種單模-多模-單模光纖級(jí)聯(lián)(Single-Mode Fiber,簡(jiǎn)稱SMF)的光纖微腔折射率傳感結(jié)構(gòu),并研究了其折射率和溫度傳感特性。與單多模光纖級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)MI微腔折射率傳感結(jié)構(gòu)的折射率和溫度靈敏度基本沒有差別,但光譜質(zhì)量得到了提高。證明了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)在保證靈敏度的同時(shí),有效的提升了MI的作用,使得光譜質(zhì)量更佳,利于傳感。最后研究了光纖MI微腔折射率傳感結(jié)構(gòu)的封裝方法,封裝出長(zhǎng)度為2cm、直徑為2mm的圓柱形不銹鋼管和石英玻璃管傳感探頭,這種傳感探頭體積小、重量輕、耐腐蝕性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高,適應(yīng)于海洋環(huán)境探測(cè),實(shí)用化前景廣泛。
[Abstract]:Optical fiber refractive index sensor has many unique advantages over traditional electrical refractive index sensor, such as high sensitivity, compact structure, strong corrosion resistance, electromagnetic interference resistance and so on. Using femtosecond laser-induced water breakdown technique, a Michelson Interferometer (MIM) sensing structure has been fabricated in optical fiber, which not only has high refractive index sensitivity, but also has a high refractive index sensitivity. Moreover, the precision of refractive index measurement is improved by using temperature crosstalk compensation, and it has the advantages of compact and dexterous reflection structure. The main work of this paper is as follows: firstly, a MI microcavity refractive index sensing structure in multimode optical fiber is designed, and the refractive index sensing characteristics of Fabry-P 茅 rot interference (Fabry-P 茅 rot Interferometer) combined with Michelson interference are studied theoretically. The compensation of temperature crosstalk for MI interferometric refractive index measurement by FPI interference peak sensing characteristics is also studied. At the same time, the sensing characteristics of refractive index and temperature sensitivity are simulated by using MATLAB software. The optimum parameters of the microcavity are determined by the influence of the size and relative position of the microcavity on the reflectance spectrum. Then, the refractive index sensing structure of MI microcavity in multimode fiber is fabricated by femtosecond laser-induced water breakdown technique and fusion technique, and its refractive index and temperature sensing characteristics are studied. The MI interference peak of 1.333-1.3487 has a very high sensitivity of 11523.8nm / r RIU.The temperature sensitivity in air is 49.43pm / oC in 18.77-55.38oC. At the same time, the temperature compensation of refractive index measurement is carried out by measuring the sensitivity of FPI interference peak, which reduces the temperature crosstalk and improves the precision of refractive index measurement. Finally, the refractive index sensing structure of MI microcavity in multimode optical fiber is optimized by the function of Beam PROP in beam Propagation method (Rsoft) software. A single-mode single-mode fiber sensing structure based on single-mode single-mode fiber (SMF) is designed and fabricated. The refractive index and temperature sensing characteristics of SMF-based microcavity are studied. The refractive index and temperature sensitivity of MI microcavity refractive index sensing structure in single multimode fiber cascade structure are not different, but the spectral quality has been improved. It is proved that the optimized structure not only ensures the sensitivity, but also effectively enhances the function of MI, which makes the spectral quality better and more favorable for sensing. Finally, the encapsulation method of the refractive index sensing structure of fiber optic MI microcavity is studied. A cylindrical stainless steel tube and quartz glass tube sensor probe with a length of 2 cm and a diameter of 2mm is encapsulated. The sensor is small in volume, light in weight and strong in corrosion resistance. High mechanical strength, suitable for marine environmental detection, practical prospects are extensive.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP212;TN253

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本文編號(hào)：1843991