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新型光子晶体光纤气体传感器研究

景磊  
【摘要】:对甲烷、氨气、乙炔各种等污染气体的检测在工业生产、环境检测等方面有重要意义。光纤光学气体传感技术在这方面有独特优势,例如抗电磁干扰能力强,体积小,易实现分布式传感等。 本论文紧紧围绕光子晶体光纤气体传感这一主题,主要研究工作和创新点包括以下几个方面: 1)利用全矢量有限元方法计算了空气包层全反射型多孔聚合物THz光纤的单模传输条件和模场的分布情况。指出对于该种波导,单模条件和很好的模场分布不能同时得到满足。最后利用阶跃光纤单模条件和洛伦兹洛伦茨公式,分析了造成这种困难的原因。 2)研究了聚偏氟乙烯(PVDF)这种铁电材料在THz波段的折射率变化情况,以及聚偏氟乙烯(PVDF)镀层的空气包层全反射型THz多孔光纤表面类等离子体共振现象。并由此设计了一种气体折射率传感器,研究发现该传感器对气体折射率的传感灵敏度在传输波长为304μm时最高。假设检测仪器可以响应1%的THz波强度变化,该气体传感器的检测分辨率可达到1.45×10-4RIU。 3)利用空心光子晶体光纤独特的导光特性,设计了一种新型光谱吸收型气体传感器。用空心光子晶体光纤做气室,实验测量了乙炔气体在13吸收带的吸收光谱,利用这一吸收带P11吸收峰的衰减系数推算得到该传感器对乙炔的检测灵敏度达到143ppmv。 4)以掺铒光纤激光器为二能级速率方程为基础,理论和实验上讨论了激光器输出镜反射率,阈值效应,以及模式竞争对气体检测灵敏度的影响。分析表明:改变腔反射镜的反射率可改变激光在腔内的反射次数,相当于改变了吸收长度以提高探测灵敏度;阈值效应对灵敏度的改变具有非线性性,阈值附近探测灵敏度放大倍数理论上讲可以无限大;模式竞争相当于放大了气体对激光的吸收截面,从而使激光器运转在多模状态时传感灵敏度比运转在单模时提高了很多倍。 5)提出一种基于双波长掺铒光纤激光器模式竞争的有源内腔气体传感技术。实验研究了泵浦强度以及腔内两波长激光相对损耗对气体检测灵敏度的影响。利用温度对光纤Bragg光栅中心波长的影响,测量了氨气在1531.6nm附近的吸收峰,并与数据库中有关数据做比对,取得很好的一致性。


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