基于微光纤增敏技术的传感研究

【摘要】：在当代信息技术高速发展的情况下,光纤传感技术也在不断的发展,其在通信、航空航天、生物检测等领域受到广泛的关注。于此同时,光纤传感器的增敏技术也不断地被提出,以满足不同场合的需要。本文基于微纳光纤耦合器特性、熔锥后的强倏逝场特性、光子晶体光纤(PCF)特性以及石墨烯的湿敏特性,提出了几种高性能的光纤传感器。本文主要工作如下:1.详细介绍了光纤传感器增敏技术的研究背景、微纳光纤传感器的分类,讨论了微纳光纤耦合器的发展现状,并分别介绍了微纳光纤耦合器、光子晶体光纤、石墨烯的传感机理,为后续工作奠定基础。2.提出了一种基于高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤应变传感器,实现了高精度的应变传感测量。将两根单模光纤剥掉2 cm左右的涂覆层后,相互缠绕在光纤拉制系统平台上,设置所需拉锥参数,打开氢气流量,利用氢气火焰对两根光纤进行拉锥燃烧,制备光纤耦合器,利用耦合后的强倏逝场特性,实现对应变的测量。通过对该器件反复测量,得出其具有很好的可逆性。为克服交叉敏感问题,通过干涉波谷对温度与应变具有不同敏感特性,利用系数矩阵解决温度对应变的影响。实验结果获得了应变灵敏度为20.35 pm/με的理想结果,相应的线性相关系数为99.9%。3.设计了一种基于微纳光纤耦合环的液位-折射率-温度三参量传感。通过对两根扭曲的传统通信光纤进行拉锥,使其融合和细化,制备成熔锥型环形光纤。在通过对波谷的检测,可以分别实现对液位、折射率、温度的测量。利用光纤耦合的强倏逝场特性,在逐渐拉锥过程中,耦合器会形成x偏振态和y偏振态两路干涉(奇模与偶模),两路略有差别的光叠加形成干涉。实验得出:在宽度为8mm光纤耦合器中,液位、折射率和温度的最高灵敏度分别为18.78 mmpm/、568.74 RIUnm/、154.76 pm/℃。4.提出了一种基于熔锥耦合型光纤微位移检测的新方法,实现对位移的精确测量。将两根剥掉涂覆层的单模光纤置于拉锥平台的凹槽内,用氢气火焰对光纤进行灼烧,制备光纤耦合器。该实验运用理论与实验相结合的方式,在理论的基础上搭建微位移测量实验系统,探究不同腰区直径对位移的响应特性。实验表明,微光纤耦合器对位移具有较高的灵敏度传感性能,微位移传感器显示灵敏度为143.92/mpmm,全尺寸范围达195mm。5.提出了一种新型的基于石墨烯特性的熔锥型Sagnac环湿度传感器。首先,在光子晶体光纤(PCF)两端分别熔接单模光纤(SMF),构成SMF-PCF-SMF干涉。然后将光子晶体两端的单模光纤对折成环形,置于光纤拉锥平移平台上进行拉锥耦合。利用熔锥耦合的双折射效应,且在环内熔接一段PCF,构成一个连接光子晶体光纤的Sagnac干涉仪。将制备好的干涉仪放置在专用光学平台上,在该干涉仪的熔锥区和光子晶体光纤部分分别涂覆石墨烯,利用石墨烯的优良特性对湿度进行测量。实验结果显示,在湿度环境为36.0%RH-75.3%RH的范围内灵敏度达到340.13 pm/%RH。6.提出了一种新型的双折射熔锥耦合型Sagnac干涉折射率传感器。利用光纤耦合的强倏逝场特性,且耦合区存在双折射效应,将制备好的传感器放置于不同折射率的溶液中。实验结果显示,在1.339-1.367的折射率范围内,灵敏度达到186.656 nm/RIU。本论文对微纳光纤耦合器与熔锥型sagnac环干涉传感结构特性进行分析研究,实现了对应变、折射率、温度、液位、微位移、湿度等物理量的检测。本文所提出的传感器结构制作简单、成本低廉,对其他领域的检测具有借鉴作用。