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液体填充的微结构光纤器件及传感特性研究

黄益建  
【摘要】:微结构光纤具有丰富的内部结构以及各种新奇的光学特性,近年来被广泛应用于光纤传感器的设计和制作,基于微结构光纤的传感器主要可分为四种类型:光栅型、干涉仪型、SPR型和材料填充型。材料填充型微结构光纤传感器通过全填充或者选择性填充的方式将各种新型功能材料集成到微结构光纤内部,这便于功能材料和光纤内传输的光产生强烈的相互作用,同时功能材料本身对外界环境的高敏感性赋予了这种传感器更优良的传感性能。依据当前功能材料填充微结构光纤传感技术的研究进展,本论文设计并研究了几种新型微结构光纤传感器,具体研究内容如下:1.提出了一种基于空芯光纤自映像效应的光纤传感器,该器件主要由熔接在两根单模光纤之间的一段空芯光纤组成,实验研究了不同空芯光纤长度和光纤熔接参数对器件内自映像效应的影响。采用液体填充结构和非填充结构对传感器的传感性能进行了实验研究,空芯光纤中液体的引入能显著提高器件的温度灵敏度,当温度从25℃升高到75℃时,填充液体样品的温度灵敏度可达-0.49 nm/℃;在1.448-1.450的折射率测试范围内,填充液体样品和未填充液体样品的折射率灵敏度几乎相同,约为12000 nm/RIU。该传感器结构简单、灵敏度高、成本低,在物理和化学传感领域具有潜在的应用前景。2.提出并实现了一种基于光子晶体光纤(PCF)耦合器的超灵敏光纤温度传感器,采用一种基于错位熔接技术的选择性填充方法,将甘油和水的混合溶液选择性填入到PCF第二圈顶点的一个空气孔中,制备了PCF耦合器,由于填充液体的空气孔与PCF的纤芯近距离平行排列,纤芯和液柱波导的基模在谐振波长处可以有效地耦合,从而在透射光谱中得到相应的耦合峰。通过填充不同折射率的混合溶液,得到了不同谐振波长的PCF耦合器,并对其温度响应进行了实验研究,所获得的温度灵敏度高达543.05 nm/℃,这是同类光纤传感器迄今为止所报道的最高温度灵敏度,这种器件在生物医学相关的高精度温度传感中有着巨大的应用潜力。3.提出了一种基于液晶填充PCF的电场传感器,E7液晶被精确地填充在PCF最内圈的一个空气孔中,形成一个光纤耦合器,当施加外部电场时,耦合峰波长对电场变化的响应灵敏度可以达到0.70 nm/(V_(rms)/mm)。该器件也可作为电光开关或调制器工作,光关断时间和开启时间分别约为47 ms和24 ms,这种液晶填充的PCF耦合结构有望在电场传感和波长可调谐电光器件中得到应用。4.提出了一种基于液晶填充边孔光纤的高灵敏度传感器,该传感器具有结构简单、易于制作、成本低等优点。实验结果表明,所提出的器件拥有较低的电场传感响应阈值,并获得了较高的的温度灵敏度和电场灵敏度,分别为-1.50 nm/℃和1.20nm/(V_(rms)/mm),同时器件对外界温度或电场的响应具有良好的重复性,这些显著的优点使其在传感领域具有广阔的应用前景。


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