【摘要】：氣體、液體、生物化學(xué)等傳感器被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)以及國防航天等領(lǐng)域。與電化學(xué)材料相比,光纖具有抗電磁干擾的特性,具有傳輸損耗小、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用到高溫高壓、大型機(jī)電、易燃易爆等危險(xiǎn)環(huán)境,空芯帶隙型光子晶體光纖結(jié)構(gòu)獨(dú)特,能作為傳感單元為光與氣體,液體等物質(zhì)反應(yīng)提供理想的場(chǎng)所,因此在氣體傳感、液體傳感、生物化學(xué)傳感等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。本論文研究和設(shè)計(jì)了基于空芯帶隙型光子晶體光纖的傳感器,研究內(nèi)容主要分為以下四個(gè)部分:1.介紹了幾種光子晶體光纖常用的數(shù)值計(jì)算方法及其各自的優(yōu)缺點(diǎn),著重分析了矢量有限元法,介紹了矢量有限元法的計(jì)算步驟,推導(dǎo)了計(jì)算公式。2.設(shè)計(jì)了基于表面等離子體共振的光子晶體光纖液體傳感器。利用COMSOL軟件模擬仿真了傳感器的靈敏度、有效折射率等參數(shù);計(jì)算分析了光纖的諧振波長與有效折射率實(shí)部之間的關(guān)系;最后計(jì)算了金屬膜的厚度、石墨烯膜的厚度、纖芯空氣孔的尺寸以及被測(cè)物折射率的變化對(duì)光子晶體光纖傳感特性的影響。3.設(shè)計(jì)了基于紅外吸收光譜原理的空芯光子晶體光纖氣體傳感系統(tǒng),該系統(tǒng)包括光源、光路和后端信號(hào)檢測(cè)電路三個(gè)部分。選擇分布反饋激光器作為光源,采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的溫控和電流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)激光器;光路由全光纖組成,考慮到空芯光子晶體光纖與單模光纖的模場(chǎng)直徑不匹配,利用準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡實(shí)現(xiàn)二者的耦合,將氣室與電路分隔開,為氣體的測(cè)量提供了安全保障;設(shè)計(jì)了電流轉(zhuǎn)電壓電路和放大電路用于檢測(cè)后端信號(hào)。使用鎖相放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡和基于LABVIEW的信息采集平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)處理,提取二次諧波信號(hào)來表征氣體濃度。4.進(jìn)行甲烷氣體濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn),提取二次諧波表征氣體濃度,結(jié)果顯示該檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的線性度和穩(wěn)定性。通過分析傳感器的Allan方差變化,結(jié)果顯示,在1秒的平均時(shí)間內(nèi),最小檢測(cè)下限約為4.7ppm。當(dāng)積分時(shí)間增加到83秒時(shí),最小檢測(cè)下限降低到0.632ppm。本論文的創(chuàng)新點(diǎn):1.設(shè)計(jì)了基于表面等離子體共振的光子晶體光纖液體傳感器。在分析物通道內(nèi)側(cè)涂上金層以作為等離子體激元材料來精確檢測(cè)分析物,并在金層外側(cè)涂上薄的石墨烯層以防止氧化。使用有限元法(FEM)進(jìn)行光纖性能和傳感性能的數(shù)值研究,通過研究光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)等離子體激發(fā)特性的影響,優(yōu)化了傳感性能。結(jié)果顯示在1.37-1.40的折射率檢測(cè)范圍內(nèi)傳感器的最大折射率靈敏度是12000nm/RIU,最大振幅靈敏度為318 RIU~(-1),此時(shí)的分辨率是3.1·10~-55 RIU。該傳感器適用于檢測(cè)各種高折射率化學(xué)品,生化和有機(jī)化學(xué)分析物。2.設(shè)計(jì)了吸收光譜式光子晶體光纖氣體傳感系統(tǒng),采用全光纖式光路結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一個(gè)小型氣室,將氣體檢測(cè)部分與電路進(jìn)行隔離,檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的線性度和穩(wěn)定性,在1秒的平均時(shí)間內(nèi),最小檢測(cè)下限約為4.7ppm。當(dāng)積分時(shí)間增加到83秒時(shí),最小檢測(cè)下限降低到0.632ppm。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN253;TP212
【圖文】：

圖 1.1 光子晶體空間結(jié)構(gòu)圖[24]1996 年，英國巴斯大學(xué)的 J. C. Knight 等人研制了第一根折射率引導(dǎo)型光子體光纖，結(jié)構(gòu)如圖 1.2（a）所示。1998 年，J. C. Knight 等人研制了第一根光帶隙型光纖，如圖 1.2（b）所示。1999 年，J. C. Knight 等人再次研制出空芯

（a） （b） （c）圖 1.2 J. C. Knight 等人研制的，（a）第一根折射率引導(dǎo)光子晶體光纖，（b）第一根光子帶隙型光子晶體光纖，（c）第一根空芯帶隙型光子晶體光纖2010 年，Y.L. Hoo 等人設(shè)計(jì)了能夠快速響應(yīng)且高度敏感的空心光纖甲烷傳

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2715388