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光纤光栅折射率传感技术研究

2020-11-22阅读(557)

光纤光栅折射率传感技术研究

论文摘要

光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、适应恶劣环境、便于波分复用、易于构成多点传感网络等优点,已经广泛用于民用工程结构、航空航天等领域的应力、应变和温度传感。此外,光纤光栅,尤其是长周期光纤光栅（LPG）还对外界折射率的变化很敏感。由于折射率传感在生化应用方面的重要性,如环境监测、医学诊断、石油化工等方面,所以基于折射率传感的光纤光栅生化探测技术正处于不断深入的研究之中。 在光纤光栅生化传感中,灵敏度以及温度交叉敏感是其中存在的两个主要问题。本文以提高折射率传感的灵敏度和解决折射率传感中的温度交叉敏感问题为目标,分别用光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光纤光栅（LPG）、以及LPG构成的M-Z干涉仪实现了折射率的传感,主要完成了以下方面的研究工作并取得了若干创新性的成果: 首先用耦合模理论和传输矩阵法分析了FBG和LPG的光学特性,然后介绍了光纤的光敏性,归纳比较了光纤光栅的各种制作技术。在课题期间,合作研制了光纤高压载氢系统,并参与搭建了一套光纤光栅制作系统,为整个研究工作提供了良好的实验平台。 研究了FBG折射率传感技术。理论分析了光纤包层直径减小时Bragg波长的变化,以及不同包层直径下光纤的导模有效折射率随外界折射率变化的关系;设计了FBG的腐蚀和测量的实验装置,制定了FBG的腐蚀工艺,对不同腐蚀程度的FBG进行了折射率测量的实验,结果表明腐蚀程度深的FBG对外界折射率具有更高的灵敏度。 LPG的耦合特性决定了它本身对外界折射率敏感,通过包层腐蚀的方法可进一步提高传感灵敏度。理论分析了光纤包层直径减小对LPG的共振波长以及外界折射率测量灵敏度的影响,并对两组LPG分别进行了不同程度的腐蚀和折射率测量的实验,结果表明腐蚀后的LPG对外界折射率的灵敏度得到了提高,并且首次得出如下结论:随着腐蚀程度加深,在某波长附近耦合的包层模的阶数虽然减小了,但是利用此包层模对外界折射率传感的灵敏度仍然得到了提高。 两个～3 dB透射率的LPG构成了LPG马赫-泽德干涉仪,这种特殊的耦合机制使得它对外界折射率敏感,而且相比单个LPG具有更精细的干涉条纹,可以提高波长检测的分辨率。我们在LPG马赫-泽德干涉仪的基础上,提出了它对外界折射率传感的灵敏度提高的两种方案:1)包层腐蚀的LPG马赫-泽德干涉仪:包层直径的减小使得包层模式的光波场有更多的部分分布在外围介质中,从而能提高对外界折射率的灵敏度,理论分析并实验观察了包层腐蚀时的光谱演变过程,实验比较了不同腐蚀程度的LPG

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • §1.1 引言
  • §1.2 光纤光栅的分类及其在传感领域的应用
  • §1.2.1 光纤光栅的分类
  • §1.2.2 光纤光栅在传感领域的应用
  • §1.3 光纤光栅生化探测技术的研究和进展
  • §1.3.1 光纤光栅折射率传感技术
  • §1.3.2 光纤光栅生化探测技术的研究进展
  • §1.4 本论文研究的主要内容及创新点
  • §1.4.1 本文研究的主要内容
  • §1.4.2 本论文的创新点
  • 参考文献
  • 第二章 光纤光栅理论及制作技术
  • §2.1 引言
  • §2.2 光纤光栅理论
  • §2.2.1 耦合模理论
  • §2.2.2 FBG传输矩阵分析
  • §2.2.3 LPG传输矩阵分析
  • §2.3 光纤的光敏性与光纤光栅制作技术
  • §2.3.1 光纤的光敏性
  • §2.3.2 载氢处理技术
  • §2.3.3 光纤光栅制作技术
  • §2.4 小结
  • 参考文献
  • 第三章 布拉格光纤光栅折射率传感研究
  • §3.1 引言
  • §3.2 FBG折射率传感原理
  • §3.3 FBG折射率传感实验
  • §3.3.1 FBG制作
  • §3.3.2 FBG的腐蚀实验
  • §3.3.3 折射率测量实验
  • §3.4 小结
  • 参考文献
  • 第四章 长周期光纤光栅折射率传感技术
  • §4.1 引言
  • §4.2 原理和分析
  • §4.2.1 共振波长和有效折射率
  • §4.2.2 LPG对外界折射率的灵敏度
  • §4.2.3 包层直径减小对LPG光学特性的影响
  • §4.3 包层腐蚀的LPG折射率传感实验研究
  • §4.3.1 长周期光纤光栅的制作
  • §4.3.2 LPG的光纤包层腐蚀实验
  • §4.3.3 LPG的封装
  • §4.3.4 包层腐蚀的LPG折射率传感实验
  • §4.4 小结
  • 参考文献
  • 第五章 LPG马赫-泽德干涉仪折射率传感研究
  • §5.1 引言
  • §5.2 LPG马赫-泽德干涉仪折射率传感原理
  • §5.2.1 LPG马赫-泽德干涉仪
  • §5.2.2 折射率传感原理
  • §5.3 包层腐蚀的LPG马赫-泽德干涉仪折射率传感研究
  • §5.3.1 原理分析
  • §5.3.2 LPG马赫-泽德干涉仪的制作
  • §5.3.3 LPG马赫-泽德干涉仪的包层腐蚀与封装
  • §5.3.4 折射率测量实验
  • §5.4 双锥LPG马赫-泽德干涉仪折射率传感研究
  • §5.4.1 原理分析
  • §5.4.2 光纤拉锥模型
  • §5.4.3 双锥LPG马赫-泽德干涉仪的实验制作
  • §5.4.4 折射率测量实验
  • §5.5 小结
  • 参考文献
  • 第六章 夹层结构LPG折射率传感研究
  • §6.1 引言
  • §6.2 光纤光栅同时测量折射率和温度的方案综述
  • §6.2.1 LPG与FBG相结合的方案
  • §6.2.2 双布拉格光纤光栅方案
  • §6.2.3 双长周期光纤光栅方案
  • §6.2.4 温度补偿的LPG折射率传感方案
  • §6.3 夹层结构LPG用于折射率／温度同时测量
  • §6.3.1 原理和分析
  • §6.3.2 夹层结构长周期光纤光栅的制作
  • §6.3.3 温度和折射率测量实验
  • §6.3.4 结论与分析
  • §6.4 小结
  • 参考文献
  • 第七章 总结与展望
  • 博士在读期间发表的论文
  • 本人主要经历
  • 致谢

    • 相关论文文献

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