【摘要】：光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)因其獨特的導(dǎo)光機制和靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計被廣泛應(yīng)用于氣體傳感領(lǐng)域,同時結(jié)合表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技術(shù)有效提高了傳感的靈敏度。本文以光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計為出發(fā)點,提出一種基于氣敏材料填涂的PCF-SPR甲烷傳感器,在此基礎(chǔ)上又設(shè)計一種雙通道邊孔型PCF-SPR甲烷、氫氣傳感器。文章深入分析PCF-SPR氣體傳感機制,為今后多種氣體濃度的同步測量提供了新思路。論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)綜述了國內(nèi)外光子晶體光纖氣體傳感研究進程與發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了目前光子晶體光纖氣體傳感所面臨的低靈敏度、交叉敏感等難題。通過優(yōu)化設(shè)計光子晶體光纖的結(jié)構(gòu),結(jié)合表面等離子體共振技術(shù)解決氣體傳感方面的缺陷。(2)設(shè)計了一種基于氣敏薄膜填涂的PCF-SPR甲烷傳感器。在空氣孔中鍍上一層金屬薄膜用來激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng),同時在金屬薄膜的內(nèi)側(cè)涂敷一層折射率隨甲烷濃度呈線性變化的氣敏材料,進行甲烷濃度的檢測。實驗表明,該甲烷傳感器的靈敏度為-1.18nm/%,線性度高達99.98%。(3)設(shè)計了一種具有偏振濾波功能的PCF-SPR氣體傳感器,用于甲烷和氫氣濃度的同時測量。為了提高對目標(biāo)氣體的光譜響應(yīng)程度,在包層中引入四個對稱的超大型邊孔,并在其中兩個邊孔上涂覆不同的復(fù)合薄膜。對傳感器模型中關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化,以實現(xiàn)對特定氣體的選擇性檢測。結(jié)合側(cè)孔結(jié)構(gòu)和偏振濾波特性,可以在互不干擾的情況下準(zhǔn)確測量甲烷與氫氣的濃度。該方法也可推廣到多種混合氣體中目標(biāo)氣體濃度的檢測。最終結(jié)果顯示,測量甲烷濃度時靈敏度為-1.99nm/%,線性度為99.95%;氫氣靈敏度為-0.19nm/%,線性度為99.97%。
【圖文】：

論roduction子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber）子晶體光纖(Photonic Crystal Fibers, PCF)是建立在光子晶體理論上的一纖，是由波長量級的空氣孔沿著石英晶體軸向方向周期性的排列而形成光纖[1]。光子晶體是一種人造晶體，由兩種或者兩種以上的介質(zhì)按照一期性分布的一種晶體。因其特殊的排列方式，導(dǎo)致其介電常數(shù)在空間上期性分布的特性。光子晶體根據(jù)組成結(jié)構(gòu)的差異，，存在一維光子晶體與晶體以及三維光子晶體這三種，如下圖 1-1 所示。三維光子晶體的制造，制造成本過高并沒有大量使用，而一維和二維光子晶體因其制造簡廉更受研究者的喜愛。本文將二維光子晶體作為研究對象進行相關(guān)工作

2 PCF-SPR 氣體傳感理論然而有限元法卻能很好的解決這一難題播域也是一個有限的封閉空間，只需要分后的子區(qū)域互不重疊就可以利用有限矢量分析能夠很好地處理光子晶體光纖成為分析光子晶體光纖模場情況的一種s 軟件是一款基于有限元算法的常用軟件當(dāng)光在光子晶體光纖內(nèi)傳播時，沿著軸所設(shè)計的光子晶體光纖氣體傳感器都是
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN253;TP212

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