基于液体填充的光子晶体光纤微结构设计

论文摘要

光子晶体光纤是近年发展起来的一种新型光纤,其特点是包层排列有规则分布的直径为波长量级的空气孔。在包层气孔里填充对温度敏感的有机液体,填充液体的折射率影响光子晶体光纤的通光性能:有效折射率、模场面积、限制损耗等,从而导致通光性能的变化。光子晶体光纤拥有其灵活的结构和优越的性能,在光纤空气孔里填充气体、液体、纳米颗粒、液晶等可做成各种高灵敏度传感器和特种光器件,在生物化学、环境监测等领域有着重要的应用。本论文对全内反射光子晶体光纤的热敏液体填充特性进行理论和实验研究。现将本论文的主要内容和创新点归纳如下:1.介绍了光纤传感器的概念和发展,光子晶体光纤的基本概念、分类和研究现状。2.介绍了光子晶体光纤的理论计算方法,对用于数值模拟光子晶体光纤性质的有限元方法和有限元仿真软件Comsol MultiphysicsTM进行了详细介绍。3.研究了工作波长对填充液体的光子晶体光纤特性的影响,温度对液体材料折射率、模场面积以及光纤中损耗的影响,参考这些方面设计了一种新型液体光子晶体光纤光开关。在新型液体光开关中,包层气孔填充折射率从1.44385到1.4439,折射率变化为5.0×10-5,仅需0.1℃的温度变化就足以使光纤通光率发生从“1”至“0”的跃变。4.介绍了进行光子晶体光纤传感实验时需要的特种光纤处理经验:特种光纤的切割、熔接和液体填充等。使用烽火公司柚子型光子晶体光纤以甲苯:乙醇=0.55:0.45的填充比设计温度传感实验,并得到与理论一致的实验现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 光纤传感器
• 1.1.2 光纤传感器的分类
• 1.1.3 光纤传感器技术发展的主要方向
• 1.2 光子晶体光纤传感器国内外发展情况及应用前景
• 1.2.1 光子晶体光纤简介
• 1.2.2 光子晶体光纤传感器的研究进展
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 光子晶体光纤传感理论分析
• 2.1 光子晶体光纤的数值计算方法
• 2.1.1 有效折射率法
• 2.1.2 平面波展开法
• 2.1.3 多极法
• 2.1.4 有限差分法
• 2.1.5 其他方法
• 2.2 有限元方法
• TM 软件简述'>2.3 Comsol Multiphysics^TM软件简述
• TM 软件使用方法'>2.3.1 Comsol Multiphysics^TM软件使用方法
• 2.3.2 边界条件的选择
• 2.4 本章小结
• 第三章 光子晶体光纤微结构设计
• 3.1 液体填充对光子晶体光纤特性的影响
• 3.1.1 工作波长对填充液体光子晶体光纤灵敏度的影响
• 3.1.2 温度对液体材料折射率的影响
• 3.1.3 温度对模场面积的影响
• 3.1.4 温度对光纤中损耗影响
• 3.2 光子晶体光纤微结构设计
• 3.2.1 光子晶体光纤光开关设计
• 3.2.2 有源传感器件的设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 温度传感的实验
• 4.1 光子晶体光纤的处理
• 4.1.1 光纤的切割
• 4.1.2 液体填充
• 4.1.3 光纤的熔接
• 4.2 填充液体的光子晶体光纤传感试验
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢