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光纤CRDS流体传感的理论与实验研究

姜萌  
【摘要】:本文介绍了光腔衰荡光谱的技术背景、特点、意义和发展历程;综述了其在高反射率测量、原子分子吸收光谱研究、分析化学、痕量气体检测和大气环境检测等技术中的应用;概述了在此基础上发展起来的光纤腔衰荡技术及其优越性。本文的主要研究工作及研究成果如下: 1、系统阐述了基于光强测量的CRDS技术和相移CRDS技术的原理;从技术角度分析了光源、增益放大器、耦合器件和探测器的参数选择和技术指标对测量精度和范围的影响;并重点分析了吸收单元——衰荡腔的分类,将其归纳为基于倏逝波原理的衰荡腔,引入微腔的衰荡腔以及引入光纤光栅的衰荡腔。对这三种结构进行了细致的总结,并指出了各自的优缺点。 2、提出复折射率替代折射率的倏逝波模型计算流体吸收损耗,利用有限单元法建立了光纤四层折射率模型并计算得到了复折射率即消光系数;根据比尔-朗伯定律和倏逝波理论分别计算得到光纤的吸收损耗和传输损耗,并据此研究了当光纤包层被腐蚀后所泄漏的倏逝场及光纤的传输特性,并定量分析了被氢氟酸腐蚀的光纤包层直径对传输损耗的影响。 3、采用氢氟酸腐蚀环内光纤的方法形成包层部分移除的吸收单元,设计并实现了免受温度影响的980nm光纤环衰荡腔系统和1560 nm皮秒级脉冲光纤环衰荡腔系统,利用5μL微流量注射器控制滴定浓度,检测二甲基亚砜溶液(DMSO)的折射率和浓度与损耗的对应关系。实现了对二甲亚砜溶液浓度的高精度测量,探测灵敏度达到1×10-3dB。 4、提出并实验验证了碳纳米管涂覆的光纤倏逝波气体传感的新方法。在分析碳纳米管材料的发展和特性的基础上,总结了碳纳米管制备方法、碳纳米管和光纤的组装方法及其应用和发展。提出了利用碳纳米管的吸附和高温解吸附特性,将碳纳米管材料进行开口预处理并与光纤衰荡腔组装的方案,实现了对气体和易挥发有机溶剂(VOC)的实时初步传感测量。 5、提出并实验验证了基于相移长周期光纤光栅(PS-LPG)的光纤环腔衰荡谱系统实现低损耗探测的新方法。采用耦合模理论分析了长周期光纤光栅的模式耦合和折射率传感特性,并用传输矩阵法分析了相移长周期光纤光栅的传输谱特性。根据理论分析结果选择适当的写制周期和长度,利用高频聚焦CO2激光脉冲技术在单模光纤上写制出低损耗(Loss-0.74dB),谐振峰波长在1560nm的相移长周期光纤光栅,将其引入1560nm窄脉冲光纤环衰荡腔系统,避免了移除部分包层光纤的吸收单元结构脆弱的缺点,实现了对外界折射率和外界溶液浓度的实时检测。 6、提出并实验验证了基于相移超长周期光纤光栅(PS-ULPG)的光纤环腔衰荡谱探测系统。利用超长周期光纤光栅谐振峰为高阶包层模与纤芯模式耦合,对外界环境变化更为敏感的特性,将高频CO2激光器写制的低传输损耗PS-ULPG作为吸收单元引入衰荡腔系统。根据耦合模理论的计算结果适当选择写制参数,在单模光纤上写制出谐振波长为1560nm超长周期光纤光栅以及相移超长周期光纤光栅,并将其引入1560nm的窄脉冲光纤环衰荡腔系统中。通过测量不同折射率的液体对光纤环衰荡谱衰荡时间的影响,实现了对外界直射率和外界溶液浓度的实时测量。 7、在对目前单一组分、单一参量流体折射率传感分析的基础上,提出了以动态检测、传感单元设计等方式实现基于光纤腔衰荡光谱技术的多组分、多参量检测系统的思路,设计出典型的系统方案并进行了初步的应用探索。


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