锥结构光纤传感器的制备及应用研究

【摘要】：随着光电子技术的飞速发展以及1550nm波长的低损耗单模光纤的诞生，光纤通信和光纤传感技术已经成为通信及传感领域的最热门研究技术，特别是光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油勘探开采和生物医学等领域。这类器件不仅具有高探测灵敏度而且可实现高温、高湿及高电磁辐射等苛刻环境条件长期工作。光纤传感器相对于电类传感的另一优势是可用于分布式传感，这种技术是物联网技术的重要组成部分。 锥形光纤尺寸小、制备工艺简单，对温度、压力、折射率等具有超高的灵敏度，不仅广泛应用于医学、近场光学显微镜以及光孤子通信，而且还可以作为高效传感元件,其特性及其应用愈来愈受到重视。本论文对锥结构光纤传感器的制备、传感特性以及应用做了深入系统的研究，工作主要有以下几方面： 1.利用电弧放电熔融拉锥技术，制作了一种紧凑新颖的光纤模式干涉仪传感探头。干涉仪的尺寸可以通过电弧放电电流的大小、熔融拉锥时间，以及熔接机电机的移动速度来控制，实验制作出最小有效传感区域长度仅为约310微米，并证实这种反射型干涉仪的反射光谱依赖于光纤探头的尺寸和形貌。 反射型光纤锥模式干涉仪还具有优良的高温性能和机械稳定性，我们利用不同干涉衰减峰对环境微扰的不同响应，实现了在温度高达1000℃的苛刻环境中横向负载和高温的同时测量。 2.采用偏芯熔接法制备了基于双J型细纤芯锥结构的光纤马赫增德尔干涉仪（DJTC），测试了其对温度和环境折射率反映特性，并利用这种结构实现了温度和折射率同时传感。 同时，对于此种结构，理论上详细的分析了其工作机制以及双参数传感的可行性，并在实验上获得了和理论一致的实验数据，给出了温度和折射率同时传感的传输矩阵。 3.理论上，详细阐述和分析了电光探测技术和逆压电效应增强电压灵敏度的原理。实验上，摸索了ZnO多晶薄膜的磁控溅射生长条件，并采用磁控溅射方法，制备出基于ZnO薄膜的锥形光纤电场传感器。利用其较大的压电性能，提高了其在电光探测中的电压灵敏度，特别是在逆压电共振频率附近，提高电压灵敏度两个量级以上。