本文關鍵詞： 長周期光纖光柵 原子層沉積技術 折射率 溫度 級聯(lián)長周期光纖光柵 溫度交叉敏感　出處：《上海大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：長周期光纖光柵(Long period fiber grating,LPFG)是一種重要的光纖器件,具有體積小、重量輕、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點,在現(xiàn)代光纖通信與傳感領域發(fā)揮著重要的作用。LPFG對多種環(huán)境參量,如溫度、應力、應變等敏感,尤其是對外界環(huán)境折射率(surrounding refractive index,SRI)敏感,能夠實現(xiàn)實時、遠距離、惡劣環(huán)境下的多種參數(shù)傳感,使得其在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、石油化工等眾多行業(yè)應用中具有不可替代的地位。提高LPFG的傳感靈敏度、拓展其應用范圍、消除交叉敏感是近年來LPFG領域的研究熱點。本文采用原子層沉積技術(atomic layer deposition,ALD)將高折射率Al_2O_3、TiO_2納米薄膜鍍在LPFG表面,制備出高靈敏度的折射率、溫度傳感器;利用級聯(lián)的鍍膜LPFG結構實現(xiàn)了對環(huán)境折射率和溫度的同時測量。主要研究內(nèi)容和成果包括以下方面:1、建立四層圓柱形波導模型,利用耦合模理論,采用矢量模分析法對鍍高折射率納米薄膜的LPFG進行了理論研究。討論了鍍膜LPFG對薄膜厚度、薄膜折射率、外界環(huán)境折射率的敏感特性。利用模式轉換理論對鍍膜LPFG增敏機制進行了詳細的分析。2、采用ALD技術在LPFG表面鍍高折射率Al_2O_3、TiO_2納米薄膜。通過實驗研究了不同薄膜參數(shù)條件下,硼鍺共摻的光纖上寫入的LPFG對SRI的敏感特性。結果表明:鍍35 nm TiO_2薄膜的LPFG HE1,14模式在轉換區(qū)內(nèi),SRI靈敏度達到-5000 nm/RIU,比裸LPFG提高了5倍。鍍100 nm Al_2O_3薄膜的LPFG HE1,14模式在轉換區(qū)內(nèi),SRI靈敏度達到-3000 nm/RIU,是裸LPFG的3倍。借助可調諧激光器和紅外CCD攝像機,首次在實驗中觀察到了鍍膜LPFG的包層模式轉換現(xiàn)象。首次對鍍膜過耦合LPFG的折射率敏感特性進行了研究。在環(huán)境折射率變化過程中,鍍膜過耦合LPFG的對比度始終高于普通LPFG,這對于提高LPFG傳感準確度具有重要意義。在錐形光纖上制備了LPFG,并鍍Al_2O_3薄膜,與相同光柵參數(shù)、相同包層模式階次的普通LPFG相比,鍍膜錐形LPFG的SRI靈敏度提高了一個數(shù)量級。實驗結果表明:拉錐與鍍膜這兩種工藝均能夠有效的提高LPFG的SRI靈敏度。兩者相結合,可以進一步提高LPFG的SRI靈敏度。3、提出了一種LPFG的溫度增敏方案。在普通的通信用光纖上寫入的LPFG表面鍍Al_2O_3薄膜之后,采用硅橡膠和紫外固化膠對鍍膜LFPG進行封裝,利用封裝材料的熱光特性,有效地提高了LFPG的溫度靈敏度。實驗結果表明:鍍200 nm Al_2O_3薄膜的LFPG在用硅橡膠封裝后,在20℃-100℃之間,LFPG的溫度靈敏度達到0.77 nm/℃,較之裸LPFG提高9倍。采用紫外固化膠作為封裝材料時,在20℃-100℃之間,鍍100 nm Al_2O_3薄膜的LFPG溫度靈敏度達到1.26 nm/℃,比裸LPFG提高了15倍。研究了基于類似原理的LPFG磁場傳感特性。將磁流體包覆在LPFG表面,使得LFPG對環(huán)境磁場敏感。用鍍膜LPFG替代裸LPFG有效地提高了磁場靈敏度。實驗結果表明:鍍250 nm Al_2O_3薄膜的LPFG,磁場靈敏度達到120 pm/Oe,比裸LPFG提高了13倍。4、通過級聯(lián)兩個不同參數(shù)的鍍膜LPFG,實現(xiàn)了溫度和環(huán)境折射率的雙參數(shù)同時測量。在硼鍺共摻的光纖上寫入雙峰LPFG1,鍍100 nm厚的Al_2O_3薄膜后,LFPG1的SRI靈敏度在轉換區(qū)內(nèi)達到-4800 nm/RIU。在普通通信用的光纖上寫入LFPG2,鍍100 nm厚的Al_2O_3薄膜,采用紫外固化膠封裝后,在20℃-40℃之間,LFPG2的溫度靈敏度達到3.2 nm/℃。LFPG1對環(huán)境折射率和溫度均具有較高的靈敏度,且這兩個參數(shù)(溫度和環(huán)境折射率)對LPFG2共振波長的調諧作用滿足良好的線性疊加特性。LFPG2對環(huán)境折射率不敏感、僅對溫度具有較高的靈敏度。將上述兩個LPFG級聯(lián),分別追蹤各自的共振波長漂移情況,可以同時對溫度和環(huán)境折射率實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率、準確的測量。該傳感器的溫度分辨率可以達到0.0063℃;折射率分辨率可以達到64.17 10~(-6)RIU。
[Abstract]:Long period fiber grating (Long period fiber grating, LPFG) is a kind of important optical devices, has the advantages of small volume, light weight, the advantages of anti electromagnetic interference, in modern optical fiber communication and sensing areas play an important role of.LPFG on various environmental parameters, such as temperature, stress, strain and other sensitive, especially the external environment index (surrounding refractive, index, SRI) sensitive, can achieve real-time, remote sensing, various parameters under harsh environment, the biomedical in environmental monitoring, and has an irreplaceable position in many industries such as petroleum chemical application. To improve sensitivity of LPFG, and expand its scope of application, eliminate the cross sensitivity LPFG is a hot research field in recent years. This paper uses the atomic layer deposition technique (atomic layer deposition, ALD) the high refractive index Al_2O_3, TiO_2 nano thin films coated on the surface of LPFG prepared with high sensitivity The degree of refractive index, temperature sensor; realizing the measurement of refractive index and temperature at the same time using LPFG coating structure in cascade. The main research contents and results are as follows: 1, the establishment of four layer cylindrical waveguide model, using the coupled mode theory, analysis of nano film with high refractive index LPFG using the vector model. Discuss the LPFG coating on the film thickness, refractive index, sensitivity to ambient refractive index. Using mode conversion theory radiosensitizingmechanisms on coated LPFG were analyzed with.2, using ALD technology in LPFG surface with high refractive index Al_2O_3, TiO_2 nano film was studied through the experiments of different films. Parameter conditions, sensitivity of b-ge Co doped fiber writing LPFG to SRI. The results showed that: 35 nm TiO_2 plating film LPFG HE1,14 mode in the transition zone, the sensitivity of SRI nm /RIU to -5000, than the bare LPFG increased 5 times. 100 nm Al_2O_3 plating film LPFG HE1,14 mode in the transition zone, the sensitivity of SRI to -3000 nm/RIU, is 3 times the bare LPFG. Using tunable laser and infrared CCD camera, first observed the cladding mode conversion coating of the LPFG phenomenon in the experiment. The first refractive index of coating coupling LPFG rate sensitive characteristics were studied. The change of ambient refractive index in the process of coating coupled LPFG contrast is always higher than that of ordinary LPFG, which is to improve the accuracy of the LPFG sensor has important significance. The tapered fiber was prepared on LPFG and Al_2O_3 thin film plating parameters, with the same grating, the same cladding mode the order of the ordinary compared to LPFG, the sensitivity of SRI coated tapered LPFG is improved by an order of magnitude. The experimental results show that these two kinds of taper and coating process can effectively improve the sensitivity of LPFG SRI. A combination of both, can further To improve the sensitivity of SRI.3 LPFG, proposed a scheme to increase sensitivity of LPFG temperature. After plating Al_2O_3 LPFG thin film surface of common communication optical fiber written, using silicone rubber and UV curing adhesive coating on the LFPG package, the thermal properties of the packaging materials, effectively improve the high temperature sensitivity of LFPG the experimental results show that: 200. Nm Al_2O_3 LFPG plating film on the silicon rubber used for packaging, between 20 DEG -100 DEG, temperature sensitivity of LFPG was 0.77 nm/ C, compared with bare LPFG increased by 9 times. The UV curing adhesive as packaging material, between 20 DEG -100 DEG, temperature sensitivity of LFPG plating 100 nm Al_2O_3 film reached 1.26 nm/ C, LPFG was 15 times higher than bare. The effects of LPFG magnetic field sensor based on the principle of similar characteristics. The magnetic fluid is coated on the surface of LPFG, makes the LFPG sensitive to the environment. The magnetic field can effectively improve the coating with LPFG instead of naked LPFG The magnetic field sensitivity. The experimental results show that the 250 nm Al_2O_3 LPFG plating film, the magnetic field sensitivity of 120 pm/Oe,.4 was 13 times higher than that of naked LPFG, by cascading two different parameters of coated LPFG, realize the double parameters of temperature and refractive index measurement. At the same time into the Shuangfeng LPFG1 in fiber B-Ge-codoped on and with Al_2O_3 film thickness of 100 nm, LFPG1 SRI sensitivity in the transition zone within the reach of -4800 nm/RIU. LFPG2 in written communication with the ordinary fiber, Al_2O_3 film coating thickness of 100 nm, the ultraviolet curing glue packaging, between 20 DEG -40 DEG, the temperature sensitivity of LFPG2 was 3.2 nm/ C.LFPG1 it has high sensitivity to the refractive index and temperature, and the two parameters (temperature and refractive index) tuning effect on LPFG2 resonance wavelength meet.LFPG2 linear superposition of good characteristics is not sensitive to the refractive index, the temperature is only High sensitivity. The two LPFG cascade, we track the resonance wavelength shift of their own, can also on the temperature and refractive index of environment to achieve high sensitivity, high resolution, accurate measurement. The temperature resolution of the sensor can reach 0.0063 DEG C; the refractive index resolution can reach 64.17 10~ (-6) RIU.

【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN253;TP212

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