光子晶体光纤高灵敏度气压传感技术研究

【摘要】：光纤气压传感器由于结构紧凑、制作简单、灵敏度高、抗电磁干扰等优点,被广泛的应用于环境监测和工业领域。而随着光子晶体光纤的发展,基于光子晶体光纤的传感器由于其有效模场面积大、单模传输范围宽、高双折射效应等诸多优良特性,逐渐的成为人们的研究热点。本文提出并制备了三种基于光子晶体光纤的气压传感器,测试了这些器件的气压传感特性,并对其温度和应力等串扰也进行了实验分析。本论文的主要内容如下:1、研究了几种常见基于光子晶体光纤干涉结构的气压传感机理,其中包括Fabry-Pérot干涉,Sagnac干涉,Lyot滤波和Mach-Zehnder干涉。基于Fabry-Pérot干涉结构是利用光纤做成的封闭式或者开放式的Fabry-Pérot腔来进行气压的传感,气压引起腔长的变化从而实现传感;基于Sagnac干涉,Lyot滤波结构都是利用保偏光纤的双折射来进行气压的传感,气压变化使得保偏光纤的双折射也发生变化从而实现气压传感;基于Mach-Zehnder干涉结构是通过光纤做成的Mach-Zehnder干涉仪,气压改变其中一个传感臂的折射率,使得光程差发生变化,从而实现气压的传感。2、设计并制备了一种基于保偏光子晶体光纤的透射式Lyot滤波型的气压传感器。该传感器是将一段保偏光子晶体光纤熔接在两个光纤线性偏振器之间,保偏光子晶体光纤作为传感单元,当外界环境气压改变时,会引起保偏光子晶体光纤的双折射变化,通过光谱仪监测其干涉峰的波长漂移进行波长解调。实验结果表明,这种简单结构的气压传感器的灵敏度为5.05 nm/MPa,且气压的灵敏度与光子晶体光纤长度无关。同时,对其的温度和应力特性进行了实验测试,发现该器件对温度和应力都不敏感,其温度与应力串扰灵敏度分别为1.9 k Pa/℃、0.06 k Pa/με,因此具有良好的稳定性。3、通过工艺的优化,将透射式的Lyot滤波型传感器改进成反射式的Lyot滤波型传感器。该设计并制备了仅需一个光纤线性偏振器与保偏光子晶体光纤熔接即可构成探针式的气压传感器。我们从理论上分析该方案可行,并实验论证得出,该种传感器的气压灵敏度也可达到3.94 nm/MPa,与透射式的灵敏度相当,但是工艺和成本减少了一半。同时,实验表明,该传感器同样对于温度不敏感,温度串扰灵敏度为2.28 k Pa/℃。4、为了提升灵敏度,我们设计了一种近平衡的Mach-Zehnder干涉型气压传感器。通过将两段长度接近的空芯光子带隙光纤熔接在两个2×2光纤耦合器之间,两个耦合器输出端的两臂长度相等。然后在其中一个传输臂上利用飞秒激光烧蚀一个气流微通道,使气体能够进入到纤芯,应用于气压测试时,外界气压发生变化时,会导致测量臂的纤芯折射率受到影响,从而导致光程差发生改变。实验表明,这种器件的气压灵敏度可以高达2.39 nm/k Pa,与理论计算值几乎一致,比相同类型干涉仪结构的气压传感器灵敏度要高两到三个数量级。同时,研究发现该传感器的气压灵敏度随着空芯光子带隙光纤绝对长度增加而增大,随着空芯光子带隙光纤相对长度增加而减小,光谱的漂移方向与气流微通道所在传感臂的位置有关系。