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《上海理工大学》 2017年
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基于磁流体的光纤干涉器件及其传感应用研究

汤佳莉  
【摘要】:近几十年来,传感器朝着简便、灵敏、低成本等方向发展,光纤传感器由于其优良的抗干扰性、成本低、适应性强、小巧简便以及较高的灵敏度等特点在传感领域备受青睐,受到越来越多学者的关注。随着光学研究的深入,磁流体的磁光效应和光学性质逐渐被学者们所熟知。磁流体是一种直径约为10nm磁性粒子被表面活性剂包裹,均匀的分散于载液中从而形成一种稳定的胶状系统。磁流体同时具备磁性固体的强磁性和液体的流动性。磁流体在无外加磁场的作用下,磁性颗粒随机均匀分布在载液中,表现为无磁性;在外加磁场的作用下,随着磁场的增加,磁流体内磁性颗粒会逐渐汇聚并沿着磁场方向形成一条条链状结构,而在相对较高的磁场下,磁性粒子将不再聚集并保持不变,形成了相对稳定的结构。磁流体因这一特殊的性质具备许多光学特性,如磁流体折射率随磁场的增加而增加并在相对较高的磁场强度下保持稳定。磁流体的这些独特的性质可以让其很容易与光子器件结合,构造新型光电传感器。将磁流体和光纤结构结合可制作出性能优良的光纤磁场传感器。本文首先实验研究了“基于磁流体的单光束Mach-Zehnder微干涉结构”,实验验证了在外加磁场的作用下,磁流体折射率随着外加磁场的增加而增加,在相对高磁场区域趋于稳定。此外,通过实验可知磁流体浓度越大,外界磁场导致的磁流体可调折射率范围就越大。由于磁流体在外界磁场的作用下具有可调节折射率的性质,改变外磁场可调节Mach-Zehnder的干涉强度,通过重复开关磁场验证了微干涉的重复性和可调节性。有关研究结果可用来设计基于磁流体的光学器件,如光调节器和光开光。通过将磁流体包覆在制备好的光纤结构周围,将磁流体作为敏感材料与光纤结合,从而制备出基于磁流体的光纤磁场传感器。论文提出并制作了磁流体包覆的多模-单模-多模、无芯-单模-无芯两种光纤传感结构,多模光纤或无芯光纤主要起激发单模光纤的芯模和包层模的作用,进而实现单模光纤的芯模和包层模干涉,干涉结果由另一端的多模光纤或无芯光纤接收并传送至光谱仪。所设计的光纤传感结构仅使用简单的熔接技术制成。对于多模-单模-多模光纤结构,熔接在两根多模光纤之间的单模光纤长度为30 mm,在实验观察的光谱范围中,出现两个不同的干涉谷,实验结果表明,随着外加磁场增加,多模-单模-多模光纤传感结构的1595 nm和1565 nm位置处的波长均发生了红移,在1595 nm位置处波长偏移和强度变化敏感度分别为21.5 pm/Oe和0.05742 dB/Oe,1565 nm位置处的相应灵敏度分别为6.05 pm/Oe和0.04821 dB/Oe。由于磁流体较强的热光效应,实验还研究了相应传感结构的温度敏感性,结果表明,1595 nm位置处的波长随温度的增加发生蓝移,相应的温度敏感系数为9.93 pm/℃。对于磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤结构,熔接在两根无芯光纤之间的单模光纤长度也为30 mm,波长在1462nm和1477 nm位置处的两干涉谷均发生了红移,在外磁场的作用下,其磁场敏感系数分别为67.28 pm/Oe和49.82 pm/Oe,波长在1462 nm附近的干涉谷随着温度的增加发生了蓝移,其温度敏感系数为37.8 pm/℃。由于磁流体具有较大的热光系数,制作的传感结构可能对外界环境温度敏感,这将会影响磁场传感的精度和性能。因此,基于磁流体包覆的光纤结构存在磁场和温度交叉敏感的问题,在高精度磁场测量器件应用中尤其突出。为了解决磁场和温度的交叉敏感问题,实验制作了一种基于磁流体包覆的长周期光纤光栅结构,采用双参数矩阵法,简单巧妙地解决了磁场和温度的交叉敏感问题。利用双参数矩阵法,实验测得了在一定范围磁场和温度下,所研究的波长漂移或光强变化与磁场或温度的线性关系变化,这种线性关系有益于传感器设计与应用。
【学位授予单位】:上海理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP212

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