本文關(guān)鍵詞：基于納米薄膜的模間干涉型光子晶體光纖甲烷傳感器研究

  更多相關(guān)文章： 光子晶體光纖 甲烷傳感器 敏感薄膜折射率 有限元法 模間干涉

【摘要】：隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展,光纖氣體傳感器的研究受到廣泛重視。甲烷是礦井瓦斯主要成分,在空氣中極易發(fā)生爆炸,被視為煤礦事故的“頭號殺手”,故監(jiān)測其濃度意義重大。光子晶體光纖具有不同于傳統(tǒng)光纖的傳輸特性,從而使其在傳感方面具有很好的應(yīng)用,而它在結(jié)構(gòu)上的多孔特點(diǎn),又使其在氣體傳感方面具有特殊的應(yīng)用。論文提出一種基于模間干涉的光子晶體光纖(PCF)甲烷傳感方法,采用模間干涉原理分析甲烷傳感器的導(dǎo)光機(jī)理,并通過有限元法仿真分析PCF甲烷傳感過程;研究敏感薄膜折射率對甲烷的響應(yīng)特性;利用光纖偏移熔接、毛細(xì)浸涂法制作PCF甲烷敏感薄膜傳感器;建立甲烷傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),評價傳感器性能。主要內(nèi)容包括:(1)基于模間干涉原理,理論分析敏感薄膜折射率、厚度和作用長度對PCF反射干涉譜特征波長的影響。采用有限元法分析纖芯基模和包層模電場分布、纖芯基模和包層模有效折射率,模間有效折射率差(PCF特征波長)隨納米薄膜折射率、厚度和作用長度的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明,隨著敏感膜厚度從100nm增加至300nm和薄膜折射率從1.455減少至1.410時,模間有效折射率差呈緩慢下降趨勢,干涉譜特征波長向短波方向移動。(2)以Cryptophane A/紫外光固化氟硅氧烷納米薄膜為對象,研究甲烷濃度對薄膜折射率影響;在線測量結(jié)果表明敏感薄膜折射率隨甲烷濃度增加而線性減小,相關(guān)系數(shù)0.996。通過優(yōu)化光纖熔接參數(shù)、PCF塌縮長度、薄膜涂覆工藝,配制敏感膜涂覆溶液,并采用光纖偏移熔接、毛細(xì)浸涂技術(shù)制作PCF甲烷敏感薄膜傳感器,表明光子晶體光纖最佳塌縮長度約240μm。(3)在0%~3.5%甲烷濃度范圍里,實(shí)驗(yàn)研究不同敏感薄膜厚度、PCF作用長度對干涉譜特征波長影響,表明隨著甲烷濃度增加,敏感膜折射率減小,從而引起干涉譜特征波長向短波方向移動。在薄膜厚度110nm至290nm范圍內(nèi),240nm厚度的傳感器表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)0.994。同時,研究非甲烷類氣體硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)和氮?dú)?N2)對傳感器影響,表明傳感器具有良好的選擇性。
【關(guān)鍵詞】：光子晶體光纖 甲烷傳感器 敏感薄膜折射率 有限元法 模間干涉
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 緒論8-20
• 1.1 引言8-9
• 1.2 光子晶體光纖9-11
• 1.3 光子晶體光纖傳感器11-18
• 1.3.1 表面等離子體共振型光子晶體光纖傳感器11-13
• 1.3.2 表面增強(qiáng)拉曼散射型光子晶體光纖傳感器13-14
• 1.3.3 光柵型光子晶體光纖傳感器14-15
• 1.3.4 光譜吸收型光子晶體光纖傳感器15-16
• 1.3.5 干涉型光子晶體光纖傳感器16-18
• 1.4 光子晶體光纖甲烷傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-19
• 1.5 論文研究目的及主要研究內(nèi)容19-20
• 2 光子晶體光纖甲烷傳感原理分析20-32
• 2.1 光纖模式20-21
• 2.2 傳感原理21-23
• 2.3 光子晶體光纖的理論分析方法23-25
• 2.4 有限元法分析光子晶體光纖甲烷傳感器25-30
• 2.4.1 有限元法中的泛函和變分25-26
• 2.4.2 有限元法中的里茲變分原理26-27
• 2.4.3 有限元法分析傳感過程27-30
• 2.5 小結(jié)30-32
• 3 傳感器仿真分析32-42
• 3.1 傳感器仿真過程32-34
• 3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器性能影響34-40
• 3.2.1 敏感薄膜折射率影響35-37
• 3.2.2 甲烷敏感薄膜厚度影響37-38
• 3.2.3 光子晶體光纖作用長度影響38-40
• 3.3 小結(jié)40-42
• 4 傳感器制作42-58
• 4.1 光子晶體光纖與單模光纖熔接42-49
• 4.1.1 熔接參數(shù)優(yōu)化42-44
• 4.1.2 光子晶體光纖塌縮長度選擇44-49
• 4.2 空氣孔內(nèi)表面敏感薄膜制備49-56
• 4.2.1 敏感溶液配制49-50
• 4.2.2 敏感薄膜涂覆50-56
• 4.3 小結(jié)56-58
• 5 傳感器實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析58-74
• 5.1 甲烷濃度對敏感薄膜折射率影響58-61
• 5.1.1 薄膜折射率在線測量裝置58-59
• 5.1.2 單晶硅片表面敏感薄膜制備59-60
• 5.1.3 結(jié)果與討論60-61
• 5.2 傳感實(shí)驗(yàn)裝置61-63
• 5.3 傳感器對甲烷的響應(yīng)特性63-72
• 5.3.1 薄膜厚度對傳感器影響63-67
• 5.3.2 作用長度對傳感器影響67-69
• 5.3.3 可逆性69
• 5.3.4 選擇性69-70
• 5.3.5 溫濕度特性70-72
• 5.4 現(xiàn)場瓦斯樣品測量72-73
• 5.5 小結(jié)73-74
• 6 總結(jié)與展望74-76
• 6.1 總結(jié)74-75
• 6.2 展望75-76
• 致謝76-78
• 參考文獻(xiàn)78-86
• 附錄86
• A 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文及專利目錄86
• B 作者在攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目86

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本文編號：617520