超小GRIN光纤探头与空芯光子晶体光纤的耦合模型及应用

【摘要】：基于空芯光子晶体光纤(Hollow Core Photonic Crystal Fiber,HC-PCF)的全光纤光谱吸收气体传感器,具有体积小、抗干扰能力强、稳定性好等优点,近年来受到学者的青睐。然而,该类气体传感器通常采用单模光纤与HC-PCF进行耦合,存在耦合距离短和效率低等问题。本文将超小自聚焦(Gradient-index,GRIN)光纤探头与HC-PCF进行耦合,利用GRIN光纤探头良好的聚焦特性,以获得更远的工作距离和更高的耦合效率。完成的主要工作或创新点如下:1、在论述小型化光学探头和光纤气体传感器发展动态的基础上,提出利用超小GRIN光纤探头替代传统单模光纤,与HC-PCF耦合研究新型光纤气体传感器的思想,以提高光谱吸收型气体传感测量系统的工作性能。2、基于超小GRIN光纤探头的光学特性,研究其结构参数的优化设计方法,利用高级编程语言C#开发GRIN光纤探头的设计与性能分析软件,通过分析不同结构参数对GRIN光纤探头的光学性能参数的影响,设计具有优越聚焦性能的GRIN光纤探头的结构参数,为其样品制作和检测提供参数依据。3、建立超小GRIN光纤探头与HC-PCF的耦合模型,对其耦合效率进行了理论计算和数值分析,研究了不同GRIN光纤探头对耦合效率的影响。4、搭建了超小GRIN光纤探头与HC-PCF的耦合效率测量实验系统,研制了五组不同的GRIN光纤探头样品用于耦合效率的实验测量,并与单模光纤作为耦合探头进行了实验对比分析,验证了GRIN光纤探头与HC-PCF耦合时相比于单模光纤耦合可以获得更远的工作距离和更高的耦合效率。5、利用光谱吸收型气体检测方法,将超小GRIN光纤探头与HC-PCF的耦合模型用于新型光纤气体传感器的研究,建立了相应的气体传感器物理模型,搭建了初步的验证实验系统。