基于光子晶体光纤的干涉型传感器设计与传感特性研究

论文摘要

光子晶体光纤由于其高双折射、低损耗、色散可调等特性,在光纤传感和纳米光子学领域备受关注。与传统的物理传感器相比,基于光子晶体光纤设计的传感器具有更高的灵敏度。本论文基于光子晶体光纤的光场分布和光传输特性,设计并分别制备了马赫-曾德干涉型和具有游标效应的两种光子晶体光纤传感器,并进行了温度、湿度、折射率以及气压等参数的传感特性研究。应用全矢量有限元法对光子晶体光纤的空气孔及其介质特性进行理论研究和数值分析,获得了光子晶体光纤的光场分布,计算得到光子晶体光纤的包层有效折射率为1.451和本文实验所用的LMA-10型光子晶体光纤相吻合,并结合传感器传感理论得到了马赫-曾德传感区有效折射率差、法布里-珀罗腔参数与传感灵敏度的关系。通过单模光纤和光子晶体光纤的塌陷熔接制备了马赫-曾德干涉型光子晶体光纤传感器,利用塌陷区域作为激励区实现了马赫-曾德干涉。实验搭建了温度和折射率传感系统,研究了传感器的温度、折射率传感特性,所得温度灵敏度和折射率灵敏度分别为122 pm/°C和-14.66 dB/RIU;制备了石墨烯涂覆的湿度传感器并进行了湿度传感特性实验研究,获得湿度灵敏度为53.86 pm/%RH。为了进一步提高灵敏度,通过单模光纤、石英管以及光子晶体光纤的无塌陷熔接制备了具有游标效应的光子晶体光纤传感器,利用三个反射面构成两个级联法布里-珀罗腔,通过控制两个腔的长度便实现了游标效应。实验搭建了温度和气压的传感系统,研究传感器的温度和气压传感特性,发现其温度灵敏度和气压灵敏度分别为140 pm/°C和-29.99 nm/MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究目的和意义
•   1.2 光子晶体光纤传感器的研究概况
•   1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 光子晶体光纤传感理论研究及数值分析
•   2.1 引言
•   2.2 光子晶体光纤理论分析
•     2.2.1 光子晶体光纤
•     2.2.2 光子晶体光纤理论研究
•   2.3 光子晶体光纤包层折射率数值分析
•   2.4 光子晶体光纤传感器传感理论
•     2.4.1 全光纤马赫-曾德干涉原理
•     2.4.2 光纤传感游标效应原理
•   2.5 本章小结
• 第3章 基于光子晶体光纤的马赫-曾德干涉计传感特性研究
•   3.1 引言
•   3.2 马赫-曾德干涉型光子晶体光纤传感器的设计与制备
•     3.2.1 马赫-曾德干涉型光子晶体光纤传感器的设计
•     3.2.2 马赫-曾德干涉型光子晶体光纤传感器的制备
•   3.3 温度传感特性实验研究
•     3.3.1 实验系统搭建
•     3.3.2 温度传感特性
•   3.4 折射率传感特性实验研究
•     3.4.1 实验系统搭建
•     3.4.2 折射率传感特性
•   3.5 湿度传感特性实验研究
•     3.5.1 实验系统搭建
•     3.5.2 湿度传感特性
•   3.6 传感器稳定性实验研究
•   3.7 本章小结
• 第4章 基于光子晶体光纤的级联双腔传感器特性研究
•   4.1 引言
•   4.2 具有游标效应的级联双腔传感器的设计与制备
•     4.2.1 级联双腔传感器的设计
•     4.2.2 级联双腔传感器的仿真与分析
•     4.2.3 级联双腔传感器的制备
•   4.3 温度传感特性实验研究
•     4.3.1 实验系统搭建
•     4.3.2 温度传感特性
•   4.4 气压传感特性实验研究
•     4.4.1 实验系统搭建
•     4.4.2 气压传感特性
•   4.5 传感器稳定性实验研究
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 潘锐

导师: 杨文龙

关键词: 光子晶体光纤传感器,马赫曾德干涉,游标效应,温度,折射率

来源: 哈尔滨理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 哈尔滨理工大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 65

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