【摘要】：微結(jié)構(gòu)光纖傳感器指用現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù),比如微加工或者微操作的方法,在普通光纖上制作出微米級(jí)結(jié)構(gòu),或者在微納光纖上制作的光纖傳感器。微結(jié)構(gòu)光纖傳感器結(jié)構(gòu)靈活多樣,通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以得到各種所需要的光學(xué)特性。隨著研究的深入,各種各樣的新奇微結(jié)構(gòu)光纖傳感器不斷出現(xiàn)。微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的應(yīng)用研究也日漸豐富,逐漸延伸到光譜學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等科技領(lǐng)域。本文基于微加工或者微操作的方法,設(shè)計(jì)并制作了基于熔接和拉錐技術(shù)的兩種干涉型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器和一種基于光纖光鑷的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器,從理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)這些器件進(jìn)行研究,拓展了微結(jié)構(gòu)光纖傳感器在光纖傳感和光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本論文主要研究?jī)?nèi)容包括:設(shè)計(jì)并研制了可以同時(shí)測(cè)量折射率和溫度的基于法布里-珀羅(F-P)多腔干涉的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器。傳感頭由普通單模光纖和實(shí)芯光子晶體光纖熔接而成,包含了空氣腔、單模光纖(SMF)腔和光子晶體光纖(PCF)腔。分析了傳感器反射光譜的特性,對(duì)反射譜進(jìn)行低通濾波,獲得波谷波長(zhǎng);同時(shí)對(duì)反射譜進(jìn)行快速傅里葉(FFT)變換,獲得幅度峰值;研究了波谷波長(zhǎng)的偏移和幅度峰值與傳感器周?chē)橘|(zhì)的溫度和折射率的關(guān)系,獲得系數(shù)矩陣,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和折射率的同時(shí)傳感。在折射率為1.34~1.43的范圍內(nèi),FFT后的幅度靈敏度為5.30/RIU,波長(zhǎng)靈敏度為8.46×10~(-1) nm/RIU。對(duì)于溫度測(cè)量,獲得了6.80×10~(-4)/°C的幅值靈敏度和2.48×10~(-3) nm/°C的波長(zhǎng)靈敏度。該傳感器制作簡(jiǎn)單、成本低、溫度補(bǔ)償效果好,可進(jìn)行雙參數(shù)測(cè)量,適合于實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)并研制了基于熔接和拉錐技術(shù)的可同時(shí)用于折射率和溫度測(cè)量的微結(jié)構(gòu)光纖馬赫-曾德(M-Z)混合干涉型傳感器。這里的干涉除了由纖芯基模經(jīng)不同傳輸路徑引起之外,還包括包層模和纖芯模之間的干涉。采用基于快速傅里葉變換分析的解調(diào)方法,研究了傳感系統(tǒng)的光學(xué)特性。通過(guò)帶通和低通濾波器提取由不同干涉形成的干涉光譜。研究了兩種干涉光譜中波谷隨折射率和溫度的漂移特性,得到了可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚�(gè)參數(shù)的傳感系統(tǒng)系數(shù)矩陣。折射率靈敏度分別為55.22±3.32nm/RIU和55.84±4.33nm/RIU,溫度靈敏度分別為0.045±0.004nm/°C和0.143±0.016nm/°C。該傳感器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作便捷、器件尺寸緊湊、可同時(shí)傳感等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)并研制了一種新型微結(jié)構(gòu)光纖尖端型傳感器,該結(jié)構(gòu)中內(nèi)嵌的中空錐形腔可以使光纖尖端附近的光重新聚焦。通過(guò)時(shí)域有限差分(FDTD)方法模擬了尖端的電場(chǎng)分布,探討了腔體幾何形狀對(duì)電場(chǎng)分布的影響,發(fā)現(xiàn)腔體填充紫外膠等高折射率介質(zhì)后,電場(chǎng)顯著增強(qiáng)。計(jì)算了微球處于不同電場(chǎng)中的受力,獲得了微粒運(yùn)動(dòng)的平均速度與所施加的激光功率間特定的非線(xiàn)性關(guān)系。這種關(guān)系可應(yīng)用于微流體技術(shù)來(lái)測(cè)量微流體的速度,散射力與流體力之間的平衡可以用來(lái)研究粒子的非侵入性遷移。微結(jié)構(gòu)光纖尖端制作方便、可控,且其特殊的內(nèi)置空腔結(jié)構(gòu)使得填充高折射率介質(zhì)形成可調(diào)三維勢(shì)阱成為可能。
【圖文】：

微結(jié)構(gòu)光纖傳感器結(jié)構(gòu)靈活多樣，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以得到各種所需要的光學(xué)特性。隨著研究的深入，各種各樣的新奇微結(jié)構(gòu)光纖傳感器不斷出現(xiàn)。微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的應(yīng)用研究也日漸豐富，逐漸延伸到光譜學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等科技領(lǐng)域。微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的種類(lèi)很多，，按工作原理不同，主要可以分為干涉型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器、基于光纖光柵的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器、諧振型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器，以及近年來(lái)發(fā)展迅速的基于光捕獲效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器。1.1.1 干涉型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器與傳統(tǒng)光纖傳感器類(lèi)似，干涉型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的干涉結(jié)構(gòu)主要包括法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)干涉、馬赫-曾德(Mach-Zehnder，M-Z)干涉、邁克爾遜(Michelson)干涉和賽格納克(Sagnac)干涉，如圖 1.1 所示。干涉型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器一般通過(guò)單根光纖的不同光路或傳播常數(shù)不同的兩束光之間的干涉效應(yīng)進(jìn)行傳感。光在傳輸過(guò)程中，由于有效折射率、路徑長(zhǎng)度、傳播常數(shù)等發(fā)生變化而引起相位差的變動(dòng)，從而導(dǎo)致整個(gè)干涉波形發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)的強(qiáng)度、相位、波峰或者波谷的檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、壓力、溫度、超聲波、電流、折射率、PH 值等物理化學(xué)及生物傳感量的監(jiān)測(cè)。

結(jié)構(gòu)光纖傳感器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖傳感器具有測(cè)量精確、使用簡(jiǎn)單、通等特點(diǎn)，取得了廣泛的研究和應(yīng)用。一般膜等微機(jī)械加工的方法在普通光纖上加工理將微納光纖設(shè)計(jì)成不同的干涉結(jié)構(gòu)，也高階模，從而實(shí)現(xiàn)不同傳輸模式之間的耦時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)的微結(jié)構(gòu)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)光纖傳感器通常包含兩個(gè)平行的反射面光之間產(chǎn)生F-P干涉，通過(guò)對(duì)干涉光的檢測(cè)方式在普通單模光纖上加工出微F-P腔是制方法。2007 年，電子科技大學(xué)饒?jiān)平淌诤凸庾泳w光纖上加工了微法布里-珀羅干FPI的應(yīng)變和溫度特性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，基的小，而兩種MFPI的溫度靈敏度相近[103]。
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN253;TP212

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本文編號(hào)：2653695