新型微結(jié)構(gòu)光纖氣壓及雙參數(shù)傳感器實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured optical fibers)是一種具有多樣性結(jié)構(gòu)的光纖，其包層中沿軸向周期性排列著微米級的空氣孔，可以通過設(shè)計(jì)空氣孔的大小和排列的位置來調(diào)整光纖的傳導(dǎo)特性如模式、透射寬帶、雙折射、色散、非線性等；同時(shí)可以通過填充液體或者其他物質(zhì)進(jìn)入空氣孔或空氣芯中，改變其固有的傳輸性質(zhì)，制作成可調(diào)諧器件，并將其應(yīng)用到光纖傳感領(lǐng)域，因而受到人們的廣泛關(guān)注。本論文基于三種不同結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖(簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖

2、、空芯光纖、雙芯微結(jié)構(gòu)光纖)，采用飛秒激光微加工技術(shù)和選擇性部分填充技術(shù)，制作了三種不同結(jié)構(gòu)、不同原理的光纖傳感器件，并研究了它們的傳感特性。第一章和第二章著重探討了微結(jié)構(gòu)光纖的導(dǎo)光機(jī)理及其分類。針對光子帶隙型微結(jié)構(gòu)光纖，利用ARROW模型進(jìn)行分析；而對于全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖，運(yùn)用模式干涉理論進(jìn)行分析。同時(shí)介紹了文章所需加工技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)方法，包括飛秒微加工和手動填膠技術(shù)等。詳細(xì)介紹了飛秒激光微加工技術(shù)的優(yōu)勢以及具體微加工光纖的操作。同時(shí)

3、提出了改進(jìn)的手動填膠方法，對微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行選擇性填充。全文研究內(nèi)容的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)提出并制作了基于簡化空芯光纖(Simplified hollow core PCF)制作的法布里伯德(Fabry-Perot)氣壓傳感器。該傳感器由一根單模光纖熔接上一段簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖，同時(shí)結(jié)合選擇性填膠技術(shù)和飛秒激光微加工技術(shù)，對光纖端面進(jìn)行選擇性開孔，使其空氣芯保持開孔而空氣包層被堵塞。再將選擇性開孔的光纖末端至于水中，一個可壓

4、縮的Fabry-Perot諧振腔在PCF的空氣芯中形成。在單模光纖熔接點(diǎn)處空氣芯與空氣孔是相互連通的，當(dāng)升壓將液柱壓進(jìn)空氣芯時(shí)，旁邊的空氣孔包層起到了緩沖氣壓的作用，這將極大提高器件的氣壓靈敏度。在800μm長度的光纖上，我們得到的靈敏度為18.15μm/KPa。該器件在高靈敏氣壓傳感領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
　　(2)首次利用基于反諧振波導(dǎo)的純石英空芯光纖(Hollow-core fiber)制作了兩種不同調(diào)制方式的氣壓傳感器件，分別為

5、強(qiáng)度調(diào)制型和波長調(diào)制型傳感器。強(qiáng)度調(diào)制型傳感器僅需將空芯光纖兩端與單模光纖熔接，通過改變外界氣壓而改變空芯光纖外包層的反射率，使得諧振強(qiáng)度發(fā)生變化從而到達(dá)傳感的目的。而波長調(diào)制型傳感器，是將強(qiáng)度調(diào)制型器件改進(jìn)，其制作過程中需要采用飛秒激光微加工技術(shù)，將強(qiáng)度調(diào)制型的器件進(jìn)行一個鉆孔處理。此類器件的氣壓靈敏度高達(dá)3.59 nm/MPa，同時(shí)分析了該溫度及應(yīng)力交叉響應(yīng)，其溫度交叉響應(yīng)和應(yīng)力交叉響應(yīng)都很小，而且該器件探測極限極低，達(dá)4.59 K

6、Pa，這與其它光纖傳感器相比，有明顯優(yōu)勢。我們提出的兩種傳感器靈敏度高、交叉響應(yīng)小、沒有明顯遲滯現(xiàn)象，相比于本文中第一種傳感器有更強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　(3)對雙芯微結(jié)構(gòu)光纖(Dual-core PCF)進(jìn)行部分填充實(shí)驗(yàn)，制作了多組分的模式干涉儀，并用于溫度和應(yīng)力的多參數(shù)傳感實(shí)驗(yàn)。此器件相比于前兩種傳感器，其優(yōu)勢在于可以解決溫度交叉響應(yīng)的問題。首先，通過手動填膠的方法，對雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的部分空氣孔填充，使其中一個芯周圍的空氣孔填