【摘要】：光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)由于其良好的光控能力和靈活的設(shè)計自由度,成為光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點。通過在PCF包層結(jié)構(gòu)中選擇性填充對外界環(huán)境敏感的功能材料,可實現(xiàn)不同功能的高靈敏度傳感測量。然而,在測量過程中,外界溫度、磁場等因素很容易干擾到PCF的光學特性而導致偏差。若能在同一器件中實現(xiàn)多種參量的同時測量,既可以提高傳感裝置的集成度,又能解決傳感交叉敏感難題。因此,對填充型PCF多參量傳感機理的研究,提供了一種高靈敏、易制備、能集成的傳感器設(shè)計新思路。本文優(yōu)化設(shè)計了三種不同的填充型PCF傳感器,實現(xiàn)了多參量傳感測量:(1)在填充型PCF中蝕刻長周期光柵(Long Period Grating,LPG),利用其雙諧振特性,提出一種高靈敏PCF-LPG溫度傳感器。通過對包層氣孔選擇填充磁流體(Magnetic Fluid,MF)材料,使得包層模和纖芯模的耦合出現(xiàn)雙諧振峰,利用兩諧振峰的間距即可實現(xiàn)溫度的高靈敏傳感。此外,為增大溫度的檢測范圍,在內(nèi)層空氣孔填充乙醇而其它孔填充MF,可在0°C-60°C范圍內(nèi)達到2.99 nm/°C的溫度靈敏度。(2)基于模間干涉(Modal Interference,MI)和定向耦合(Directional Coupling,DC)傳感機制,實現(xiàn)了溫度和磁場的雙參量測量。通過在PCF包層結(jié)構(gòu)中選擇特定的空氣孔并填充MF材料引入缺陷通道,利用纖芯高階模與缺陷模的耦合增加傳感測量的自由度。深入分析干涉光譜和損耗光譜隨溫度及磁場的漂移特性,結(jié)合雙參量矩陣法解決傳感交叉敏感難題。(3)基于選擇填充型PCF,結(jié)合缺陷耦合傳感機理,設(shè)計了一種可同時檢測曲率、彎曲方向、溫度與磁場的多參量傳感器。通過在PCF包層結(jié)構(gòu)中選擇四個對稱空氣孔并填充MF材料,在垂直方向和水平方向分別引入兩個對稱缺陷通道�；诶w芯模與缺陷模的耦合,在纖芯模損耗光譜中出現(xiàn)兩個明顯的損耗峰。研究表明,當PCF沿X或Y方向彎曲時,對應(yīng)損耗峰發(fā)生分裂,而另一損耗峰則保持不變。利用X、Y方向彎曲損耗分裂峰的間隔隨彎曲變化的漂移特性,可實現(xiàn)曲率與彎曲方向的同時檢測。此時,彎曲測量不會受外界溫度或磁場的影響。另一方面,利用兩分裂峰的中心波長均值隨溫度與磁場的漂移特性,可實現(xiàn)對溫度和磁場的同時傳感而不受彎曲情況干擾。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN253;TP212

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