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基于游标效应的微纳光纤环形谐振腔传感研究

鲁志威  
【摘要】:光纤传感技术的发展对器件尺寸和灵敏度的要求越来越高。微纳光纤器件由于其小体积、易与周围介质发生较强相互作用的特性被广泛应用于传感领域,拥有高灵敏度的微纳光纤环形谐振腔就是其中的一个突出代表。为了提升传感器的灵敏度,游标效应也被结合各种光学结构应用于传感领域,但是以往基于游标效应的传感研究存在一些局限和不足。因此对游标效应在微纳光纤环形谐振腔传感中的灵敏度增强作用进行研究具有重要的理论意义和较高的实用价值。本研究一方面从微纳光纤环形谐振腔的理论分析和仿真入手,研究了几个主要结构参数对其输出光谱的影响;另一方面探讨了游标效应的数学基础,通过引入周期性函数相关的数学定理,分析并系统地构建了具有一般性的广义游标效应理论模型,并由此提出实现游标效应的加法、减法、乘法和除法四种数学形式。通过将上述两者结合,提出了利用微纳光纤环形谐振腔在结构上串并联以及数据上运算实现游标效应传感的方法。利用熔融拉锥法、不截断微纳光纤打结技术和氟化镁晶体抛光片基底,成功制备了单个和串并联结构微纳光纤环形谐振腔器件。通过建立微纳光纤环形谐振腔的折射率、温度传感理论和游标效应增敏理论,设计传感实验对相关理论进行验证。实验利用微纳光纤环形谐振腔,验证其串联结构可以实现乘法游标效应、并联结构可以实现加法游标效应、单个微纳光纤环形谐振腔结构通过数据运算的方法可以实现除法游标效应。实验结果和理论分析十分吻合,折射率灵敏度相比没有结合利用游标效应的传感器得到了几倍到几十倍不等的放大,证明微纳光纤环形谐振腔结合游标效应对传感灵敏度确实具有显著的放大能力。研究说明,本文提出的广义游标效应的理论模型具有广泛的适用性,可以对多种光学结构和参量的传感器实现基于游标效应的灵敏度增强起到指导作用,包括但不局限于法布里-珀罗干涉仪、谐振腔、混合结构等不同结构的传感器,和折射率、温度、气体压力等不同参量的传感器等。


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