长周期光纤光栅的传感特性及应用研究

论文摘要

光纤光栅是光通信、光传感及光信息处理等领域最为重要的光无源器件之一。本文以长周期光纤光栅为研究对象,针对其基本特性、传感应用等问题进行了理论探讨和数值分析,主要内容包括:阐述了光纤光栅、长周期光纤光栅传感器的发展和研究现状;根据耦合模理论,推导了长周期光纤光栅的耦合模方程,得到了导模与包层模的耦合关系;对导模和包层模的有效折射率、耦合系数进行了计算;分析研究了光栅参数对其透射谱的影响;从长周期光纤光栅在外加轴向应变或环境温度变化时可能出现的弹性形变、弹光效应、热光效应、热膨胀效应及波导效应等物理过程入手,导出了描述其轴向应变和温度传感灵敏度的一般性公式,并数值模拟了光栅周期、耦合模次、弹光系数及热光系数对灵敏度的影响;提出了基于长周期光纤光栅的、可用于蛋白质等生物物质鉴别与分析的传感方案,就检测中所生成复合物薄膜层的折射率和厚度变化对透射谱影响进行计算机仿真。基于以上工作,本文得出如下结论:适当增大长周期光纤光栅的周期或利用低次包层模耦合对提高其温度或轴向应变灵敏度均有所贡献;当光栅包层和芯层的弹光或热光系数彼此相等时,其应变或温度灵敏度很低且与中心波长的大小成正比关系。利用生物活性物质高效、专一的催化特性,通过生化反应中生成的复合物对长周期光纤光栅包层折射率和半径的直接调制,可方便地实现蛋白质、酶等生物物质的高灵敏度检测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 光纤光栅概述
• 1.1.1 光纤光栅的发展
• 1.1.2 光纤光栅的分类
• 1.1.3 光纤光栅的应用
• 1.2 光纤光栅传感器的特点与发展趋势
• 1.3 长周期光纤光栅传感器及其研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 长周期光纤光栅的理论分析与数值模拟
• 2.1 耦合模理论
• 2.2 长周期光纤光栅建模
• 2.3 长周期光纤光栅有效折射率的计算
• 2.3.1 导模有效折射率
• 2.3.2 包层模有效折射率
• 2.4 耦合系数的计算
• 2.5 长周期光纤光栅参数对透射谱的影响
• 2.5.1 光栅周期对透射谱的影响
• 2.5.2 光栅长度对透射谱的影响
• 2.6 传输矩阵法
• 3 长周期光纤光栅传感机理及特性分析
• 3.1 长周期光纤光栅的传感机理
• 3.2 长周期光纤光栅的传感特性研究
• 3.2.1 LPFG的温度传感灵敏度研究
• 3.2.2 LPFG的轴向应变传感灵敏度研究
• 3.3 数值仿真与结果分析
• 4 基于长周期光纤光栅的生物传感器分析与设计
• 4.1 方案设计与传感机理
• 4.2 数值仿真与结果分析
• 5 研究结论与展望
• 5.1 本文的研究结论
• 5.2 论文的不足及今后工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的研究成果
• 致谢