基于飞秒激光制备的光纤传感器的研究

论文摘要

传感器技术在现代信息技术发挥着重要作用，光纤传感器因其体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等特性而具有独特的优势。折射率往往直接与物质的浓度、PH值等相关，可以反映物质的许多重要物理化学性质，而温度更是许多生产生活环境中首要考虑的问题。研究具有高灵敏度的光纤型传感器用来进行折射率和温度传感具有重要的意义。D型光纤消逝场型传感器相对于传统消逝场型光纤传感器的优点是传感灵敏度更高且机械性能更好。用飞秒激光分别制备了单模D型和多模3周期D型光纤传感器。用Beamprop软件模拟了两种传感器出射光功率与入射光功率的比值随外界溶液折射率变化而变化的规律。实验中分别在两种传感器上滴加不同折射率的溶液，记录出射光功率比的改变，理论计算其折射率探测灵敏度可以比传统阿贝折射率计高。利用橄榄油和甘油的折射率随温度升高线性降低的特点把橄榄油和单模D型光纤、甘油和多模D型光纤分别封装起来组成温度传感器进行温度传感实验。可得到较高的温度探测灵敏度。在光纤的包层用飞秒激光打出矩形凹槽并用氢氟酸腐蚀，得到导模-辐射模型传感器，随着外加溶液折射率的变化其损耗峰的位置将发生高灵敏移动，具有良好的折射率传感性。实验中用飞秒激光制作D型光纤，具有加工精度高、效率高、附加损伤小、易于控制和实时观察等特点，相比于传统研磨方法具有显著优势。实验结果和理论模拟相符合，说明D型光纤传感器和侧边辐射型光纤光栅传感器在测量折射率和温度方面具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 光纤传感器技术简介
• 1.2.1 光纤传感器的优点
• 1.2.2 光纤传感器的分类
• 1.2.3 光纤传感器的应用
• 1.2.4 光纤传感器的发展
• 1.3 D 型光纤传感器简介
• 1.4 光纤光栅简介
• 1.5 飞秒激光加工技术简介
• 1.6 本文的主要工作简介
• 第2章 光波导理论基础
• 2.1 均匀平板光波导
• 2.1.1 TE 模和TM 模
• 2.1.2 传播模和辐射模
• 2.1.3 截止参数
• 2.2 光纤的模式理论
• 2.2.1 阶跃光纤的矢量模解
• 2.2.2 光纤中的导波模分类
• 2.2.2.1 TE 模和TM 模
• 2.2.2.2 EH 模和HE 模
• 2.2.2.3 导波模的截止参数和单模传输条件
• 2.2.2.4 阶跃光纤中的线偏振模
• 2.2.3 光波导的模式耦合理论
• 2.2.3.1 模式的横向耦合理论
• 2.2.3.2 模式的纵向耦合理论
• 2.3 光束传播法简介
• 2.3.1 矢量波方程的推导
• 2.3.2 边界条件
• 第3章 单模D 型光纤传感器的研究
• 3.1 引言
• 3.2 单模D 型光纤折射率传感器的研究
• 3.2.1 单模D 型光纤折射率传感器的理论模拟
• 3.2.2 单模D 型光纤折射率传感实验
• 3.2.2.1 单模D 型光纤的制作
• 3.2.2.2 单模D 型光纤的折射率传感实验
• 3.2.3 单模D 型光纤折射率传感实验结果分析
• 3.3 单模D 型光纤温度传感实验
• 第4章 多模D 型光纤传感器的研究
• 4.1 引言
• 4.2 多模D 型光纤折射率传感器的研究
• 4.2.1 多模D 型光纤折射率传感器的理论模拟
• 4.2.2 多模D 型光纤折射率传感实验
• 4.2.2.1 多模D 型光纤的制作
• 4.2.2.2 多模D 型光纤折射率传感实验
• 4.3 多模D 型光纤温度传感实验
• 4.4 结论
• 第5章 包层刻蚀光纤光栅传感器
• 5.1 引言
• 5.2 包层刻蚀光纤光栅的制作
• 5.3 包层刻蚀光纤光栅的传感实验
• 5.4 实验结果分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢