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《吉林大学》 2012年
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长周期光纤光栅的特性及传感应用的研究

杨蕊竹  
【摘要】:随着光电子器件制作技术的不断发展,光纤光栅已经成为众多最具发展前景的光无源器件之一。而二十世纪九十年代发展起来的长周期光纤光栅,其超大的周期决定了它与传统的布拉格光栅相比具有完全不同的耦合机制,长周期光纤光栅的周期通常有几十到几百微米,它能够将纤芯导模的能量耦合到同向传输的包层模中。长周期光纤光栅除了具有传统光纤光栅的成本低,制备简单,易集成等特点,还有插入损耗小,对多个环境参量敏感的优点,所以在通信、传感等领域都有着十分广阔的发展前景,二十年来受到了光纤和光电器件等各界人士的关注。为了能使长周期光纤光栅在更多领域都有实用效果,人们在不断的研究它的结构,特性,材料和加工手段,同时对它的修饰和应用也做了很多探索,目前,长周期光纤光栅由于其超高的灵敏性在传感领域已经得到了广泛的认可。 长周期光纤光栅由于周期较大,若要满足相位匹配条件,发生耦合的是纤芯导模和它同向传输的包层模,所以长周期光纤光栅的耦合波长和耦合强度与外界环境的变化息息相关。在外界环境的温度、应变、折射率、弯曲发生变化时,长周期光纤光栅的谐振峰的变化非常敏感,所以长周期光纤光栅作为传感器件具有很强的优势和广泛的应用。 本文在研究了长周期光纤光栅的特性的基础上,详细推导了长周期光纤光栅的耦合模方程并分析了能够影响长周期光纤光栅光谱特性的几个因素;研究了现阶段制备长周期光纤光栅的主流方法并对比了紫外写入法和红外飞秒激光写入法制备的长周期光纤光栅的光谱特性;设计并制备了两种基于长周期光纤光栅的传感器件:其一为多孔薄膜修饰的长周期光纤光栅小分子传感器;其二是基于小周期长周期光纤光栅的膜厚传感器。 本文的主要研究工作有: 1.以三层阶跃光纤模型为基础,并运用弱导光纤近似,推导了长周期光纤光栅的模场分布方程,并计算出纤芯导模和包层模的有效折射率;通过数学简化推导出长周期光纤光栅的相位匹配方程。用数值计算的方法分析了影响长周期光纤光栅光谱特性的一系列制备参数,如周期,栅长和包层的厚度,在理论上指导了后期工作中长周期光纤光栅的制备和传感应用的研究。 2.研究了目前制备长周期光纤光栅的多种技术方法,有紫外写入法、离子注入法、高频CO2激光脉冲写入法、电弧放电法、机械微弯法、腐蚀刻槽法和飞秒激光写入法。采用紫外写入法和飞秒激光写入法分别制备了周期为460μm的长周期光纤光栅,并分析了影响长周期光纤光栅光谱特性的加工参数如激光的能量、光栅的长度、光栅的周期,此外一些特殊的处理也能够影响到光栅制备的效果,如载氢处理,退火处理等,最后用腐蚀的方法进一步调整了长周期光纤光栅的透射光谱。 3.设计并制备了基于多孔高折射率薄膜修饰的长周期光纤光栅小分子传感器。首先针对长周期光纤光栅用做折射率传感器时对于低浓度的小分子溶液不敏感的问题,提出了用一种高折射率的多孔敏感层来提高光纤光栅对小分子的敏感性,并用静电层层自组装法的方法制备了一种新型的TiO2/Polyion复合膜,此薄膜具有比传统聚电解质薄膜更高的折射率,更重要的是,它具有特殊的多孔结构,能够允许小分子的进入并富集,将其涂覆在长周期光纤光栅上可以使长周期光纤光栅的谐振光谱随外界小分子媒质的变化非常敏感。以葡萄糖分子为例, TiO2/Polyion复合膜修饰的长周期光纤光栅折射率传感器的检测浓度极限可以达到10‐7,与传统的长周期光纤光栅折射率传感器相比灵敏度有了极大的改善。 4.针对镀膜领域中膜生长的监控问题,设计并制备了可以原位、实时监控静电组装薄膜生长时的厚度变化的传感装置。首先用数值分析的方法模拟了不同参数的长周期光纤光栅的谐振波长随其表面薄膜厚度的变化规律,研究发现当长周期光纤光栅的周期较短时(小于100μm),其谐振波长随涂覆在表面薄膜的厚度变化较快,且变化规律呈类三阶曲线的形式。我们用飞秒激光直写法制备了周期为100μm的长周期光纤光栅并用其检测了三种不同的薄膜的生长,结果表明对于各种薄膜,长周期光纤光栅的谐振波长随膜厚的变化非常快,其膜厚灵敏度可达0.24nm/nm,对于分辨率为0.05nm的光谱分析仪,我们所制备的长周期光纤光栅检测膜厚的分辨率可达0.2nm,完全可以满足大多数静电组装薄膜的厚度监控。 综上所述,长周期光纤光栅是一种很有发展前景的光传感器件,其低廉的价格以及出色的检测灵敏度都是它得到大力发展的理由。由于光纤本身是一种标准化器件,以光纤为基础制作的器件在日后的集成和应用都非常方便。我们通过静电组装薄膜的修饰有效的提高了长周期光纤光栅折射率传感器的检测灵敏度的适用范围;通过对长周期光纤光栅制备方法的改良和结构的设计使其应用于膜厚的监测,并获得了初步的结果,将长周期光纤光栅在传感领域的应用推向了一个新的高度。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN253;TP212

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