本文選題：光纖傳感　切入點：微結(jié)構(gòu)光纖　出處：《天津理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著信息時代和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的到來以及快速發(fā)展,光通信、光互聯(lián)等高速率信息的傳輸及處理的要求越來越高。為滿足全光纖光子集成系統(tǒng)對微納光子器件的要求,人們不斷探求新材料、新原理、新方案和構(gòu)思。結(jié)合微納波導(dǎo)技術(shù)與光電功能材料物理效應(yīng),通過研究光波導(dǎo)中的光束傳輸和調(diào)控從而實現(xiàn)微納光子器件成為了光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要課題。本文是以各種微結(jié)構(gòu)的微納光纖作為敏感元件,借助其強(qiáng)倏逝場等特性,并與納米功能材料相結(jié)合,與周圍環(huán)境產(chǎn)生緊密的相互作用,研究了對外界環(huán)境參量敏感的一系列微結(jié)構(gòu)光纖傳感器。本文主要采用電弧放電法對具有不同傳導(dǎo)特性的光纖進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)設(shè)計,分析了其中光傳播的特性,并結(jié)合納米功能材料對其傳感特性進(jìn)行了理論和實驗分析,實現(xiàn)了高靈敏度、低溫敏感傳感,具有較好的應(yīng)用前景。本論文主要研究內(nèi)容包括:1.熔接機(jī)電弧放電法制備微結(jié)構(gòu)光纖。借助控制高精度平移臺步進(jìn)距離、速度以及熔接機(jī)的放電時間、放電功率等參數(shù),不同直徑、不同錐區(qū)長度等不同參數(shù)的錐型微結(jié)構(gòu)光纖可以被制備出來。通過數(shù)值計算理論分析了錐形微結(jié)構(gòu)光纖的倏逝場特性和模式能量分布的特點。隨著光纖直徑的減小,光纖中能量將不局限在光纖纖芯當(dāng)中,有一部分能量將泄漏到包層當(dāng)中,以倏逝波的形式存在。光纖直徑越小,倏逝場能量越強(qiáng),與外界相互作用也會增強(qiáng),對外界環(huán)境變化的檢測越加靈敏。2.基于周期錐微結(jié)構(gòu)單模光纖以及集成SiO2納米粒子拉錐方形光纖分別提出了折射率傳感器以及相對濕度傳感器。通過對高精度的平移臺以及熔接機(jī)放電參數(shù)的調(diào)控分別制備出了周期錐微結(jié)構(gòu)單模光纖以及錐結(jié)構(gòu)方形光纖,并將錐結(jié)構(gòu)方形光纖與SiO2納米粒子集成,分析了這兩種傳感器的傳感機(jī)理,構(gòu)建了有效的理論模型,并分別通過實驗分析了外界折射率對周期錐微結(jié)構(gòu)單模光纖以及相對濕度對基于SiO2納米粒子錐結(jié)構(gòu)方形光纖這兩種傳感器的傳感特性。3.提出并實現(xiàn)了兩種基于微結(jié)構(gòu)全固波導(dǎo)陣列光纖的磁場傳感器。分別通過熔接機(jī)電弧放電的方法在全固波導(dǎo)陣列光纖上制備出了錐結(jié)構(gòu)以及周期錐結(jié)構(gòu),并結(jié)合納米磁流體材料實現(xiàn)了對外界磁場的高靈敏度測量。計算了這兩種微結(jié)構(gòu)光纖的模式耦合以及干涉特性,并對其特性進(jìn)行理論模擬。具體分析了兩種磁場傳感器的干涉峰強(qiáng)度以及振幅隨外加磁場的變化。
[Abstract]:With the advent and rapid development of the information age and the Internet of things applications, the requirements of transmission and processing of high rate information, such as optical communication, optical interconnection, etc, are becoming more and more high. People are constantly searching for new materials, new principles, new schemes and ideas, combining micro-nano waveguide technology with physical effects of optoelectronic functional materials, It has become an important subject in the field of photonics to study the beam propagation and control in optical waveguides so as to realize the development of micro-nano photons. In this paper, various micro-nanofibers are used as sensitive elements, with the help of their strong evanescent field, and so on. And combined with nano-functional materials to produce close interaction with the surrounding environment, A series of microstructural optical fiber sensors which are sensitive to external environment parameters are studied in this paper. In this paper, the microstructural design of optical fiber with different conduction characteristics is carried out by arc discharge method, and the characteristics of optical propagation are analyzed. The sensing characteristics of nano-functional materials are analyzed theoretically and experimentally, and high sensitivity and low temperature sensitive sensing are realized. The main contents of this thesis are as follows: 1. The micro-structure optical fiber is fabricated by arc discharge method of welding machine. The parameters such as step distance, speed, discharge time and discharge power of welding machine are controlled by controlling the step distance of high precision translation table, the speed of welding machine, the discharge power and so on. Conical microstructured fibers with different diameters and different cone lengths can be fabricated. The evanescent field characteristics and mode energy distribution characteristics of tapered microstructured fibers are analyzed by numerical calculation theory. With the decrease of fiber diameter, the characteristics of evanescent field and mode energy distribution are analyzed. The energy in the fiber will not be confined to the fiber core. Some of the energy will leak into the cladding and exist as evanescent waves. The smaller the diameter of the fiber, the stronger the evanescent field energy, and the greater the interaction with the outside world. The detection of environmental change is more sensitive. Based on periodic cone microstructured single-mode fiber and integrated SiO2 nano-particle tapered square fiber, a refractive index sensor and a relative humidity sensor are proposed. The single mode fiber with periodic conical structure and square fiber with conical structure were fabricated by adjusting discharge parameters of the translation table and the welding machine respectively. The sensor mechanism of the two sensors is analyzed, and an effective theoretical model is constructed by integrating the square fiber with the conical structure with the SiO2 nanoparticles. The sensing characteristics of external refractive index pair periodic cone microstructure single mode fiber and relative humidity pair square fiber based on SiO2 nano-particle cone structure are analyzed by experiments. 3. Two kinds of sensors based on micrometer are proposed and realized. Magnetic field sensor of fiber optic fiber with full solid waveguide array. The conical structure and periodic cone structure were fabricated on the fiber by arc discharge of welding machine, respectively. The high sensitivity measurement of the external magnetic field is realized by combining the nano-magnetic fluid material. The mode coupling and interference characteristics of the two kinds of microstructured optical fibers are calculated. The interference peak intensity and amplitude of two kinds of magnetic field sensors are analyzed in detail.
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;TP212

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本文編號：1577717