微纳光纤环形腔的制备及在折射率传感上的应用

论文摘要

像电子器件一样,光学器件也将朝着微小、可集成的方向发展。微纳光纤作为微纳光子集成电路的重要基础器件,是探索全光系统的重要手段之一。由于沿着微纳光纤传输的光场损耗低,且微纳光纤的弯曲损耗也很低,使得由其制成的微纳光纤环形腔的透射光谱可达到很高的品质因素。且环形腔放入水中或嵌入低折射率聚合材料中依然有良好的谐振特性。所以微纳光纤环形腔能够用来对水溶液中的物理参量进行传感检测。本论文主要研究微纳光纤环形腔在水溶液中的光学特性,及在折射率传感上的应用。本论文先介绍了微纳光纤的研究背景以及前沿的微纳光纤制作方法,探究了微纳光纤的特性及各种基于微纳光纤的光学器件,回顾了微纳光纤在水溶液中的基本理论以及沿着微纳光纤传输的基模能量场的分布,并在此基础上进行了水溶液中单个微纳光纤Knot型环形谐振腔(MKR)和两个MKR串联的理论分析。研究了通过两种不同的火头来熔融拉制双锥型微纳光纤。采用陶瓷火头时,通过燃烧氢气来熔融拉锥普通单模光纤,由于陶瓷火头内径较宽且产生的火焰稳定,制成的双锥型微纳光纤的中间平缓区长度可达1.2 cm,中间平缓区直径最小可达200 nm。另一种是采用氢氧混合金属火头,通过燃烧氢气和氧气混合气体来熔融拉锥普通单模光纤,氢氧制作的双锥型微纳光纤的中间平缓区长度为0.9 cm,中间平缓区直径最小可达2μm。但由于氢氧混合火头产生的火焰温度较高,所以拉制的微纳光纤柔韧性好,不易断。针对通过常用的截断双锥型微纳光纤一端来制作环形腔的方法所制作的环形腔损耗高且结构不牢固这一问题,研究了通过不截断双锥型微纳光纤,直接制作环形腔的方法。用此方法所制作的环形腔损耗低且结构牢固。本文将制作的单个MKR放置在水溶液中进行温度和折射率的传感测量,实验结果表明MKR在水溶液中具有良好的谐振特性。谐振腔的输出光谱与仿真也能达到很好的吻合,如整体的光谱形状、谐振腔直径的大小与输出光谱的FSR的对应关系等。且所简化的谐振腔灵敏度理论计算也基本与实验相吻合。最后进行了两个MKR串联对水溶液折射率的传感测量,灵敏度高达3278.51 nm/RIU。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题意义
•   1.2 课题背景
•     1.2.1 微纳光纤的制作
•     1.2.2 微纳光纤的光传输特性与应用研究
•     1.2.3 微纳光纤环形腔的研究现状与传感应用
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 微纳光纤环形腔的理论研究
•   2.1 引言
•   2.2 微纳光纤的基本理论
•     2.2.1 微纳光纤的基本理论模型
•     2.2.2 基模电场能量分布
•   2.3 微纳光纤环形腔的理论研究
•     2.3.1 基本谐振理论
•     2.3.2 基于双微纳光纤环形腔串联的理论研究
•   2.4 本章小结
• 第3章 微纳光纤及微纳光纤环形腔的制作
•   3.1 引言
•   3.2 微纳光纤拉制系统的构建
•   3.3 微纳光纤的制备和误差分析
•   3.4 微纳光纤的损耗特性分析
•   3.5 微纳光纤Knot型环形腔的制备
•   3.6 本章小结
• 第4章 微纳光纤环形腔的传感实验
•   4.1 引言
•   4.2 微纳光纤环形腔传感理论模型
•   4.3 单个MKR的传感实验
•     4.3.1 单个MKR的光谱实验
•     4.3.2 单环的温度传感实验研究
•     4.3.3 单环的折射率传感实验研究
•   4.4 双环串联的折射率传感实验研究
•   4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱寒

导师: 孙云旭

关键词: 微纳光纤,微纳光纤环形腔,温度传感,折射率传感

来源: 哈尔滨工业大学

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: 哈尔滨工业大学

分类号: TN253;TP212

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001937

总页数: 62

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