基于飛秒激光微加工的光纖傳感器制備及其傳感特性研究.pdf

1、光纖傳感系統(tǒng)具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)精巧、抗電磁干擾、耐腐蝕并能實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)勢，在科研、生產(chǎn)、安全等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加。飛秒激光具有超短的脈沖寬度、超高的峰值功率，從根本上改變了激光加工過程中的光與材料的作用機(jī)理，具有精度高、加工材料廣泛及真三維加工等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種功能器件的加工過程。
　　本論文以飛秒激光加工的光纖微結(jié)構(gòu)傳感器為中心內(nèi)容，從傳感機(jī)理、模式分析、數(shù)值仿真、制作工藝及傳感測試等方面展開研究，并對加工光束的優(yōu)化

2、問題進(jìn)行了探討。論文的主要創(chuàng)新性工作包括以下三個方面:
　　(1)開展了基于微拉錐的光纖內(nèi)微腔傳感技術(shù)研究，獲得了一種多功能、小體積、高強(qiáng)度、低成本的光纖傳感器。理論分析了基于內(nèi)置微腔的干涉型光纖傳感器機(jī)理，對雙光束干涉公式解析得到傳感器的溫度、縱向應(yīng)力及外界折射率傳感靈敏度均與模式階數(shù)有關(guān)的結(jié)論;建模并仿真分析了微腔壁中的傳導(dǎo)模式，探討了傳感器在縱向應(yīng)力及折射率傳感時存在紅移或藍(lán)移的可能性;實驗研究了光纖內(nèi)置微腔傳感器的制作方法

3、，確定了飛秒激光燒蝕-熔接-微拉錐的三步法制作流程并優(yōu)化了工藝參數(shù);測試了微拉錐內(nèi)微腔干涉儀在溫度、應(yīng)力和折射率方面的傳感性能，實驗獲得了與理論研究一致的結(jié)果;實現(xiàn)了微拉錐內(nèi)微腔干涉儀用于溫度與應(yīng)力同時測量;為增強(qiáng)器件對外部折射率的響應(yīng)進(jìn)行了微腔壁的減薄處理，實驗獲得該器件在低折射率區(qū)間靈敏度達(dá)到4202nm/RIU，較微拉錐微腔傳感器提升約100倍。
　　(2)開展了基于選擇填充光子晶體光纖的傳感技術(shù)研究，獲得了一種設(shè)計靈活、制

4、備可控的彎曲矢量傳感器。理論研究了選擇填充光子晶體光纖耦合器的傳感機(jī)理，建模并仿真分析了光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)及填充材料對耦合器傳感性能的影響;以正交位置填充不同折射率液的方案，設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)全空間彎曲矢量測量的傳感器;實驗研究了以飛秒激光為關(guān)鍵加工手段的選擇填充光子晶體光纖耦合器的制備方法;測試了耦合器的彎曲傳感特性，在0～10.7m-1曲率范圍內(nèi)獲得具方向指示的線性響應(yīng)，靈敏度達(dá)到-1.20nm/m-1，實驗結(jié)果與理論分析高度統(tǒng)一，為

5、特殊功能傳感器的設(shè)計和制備提供了可靠的依據(jù)。
　　(3)開展了飛秒激光加工光束的優(yōu)化技術(shù)研究，設(shè)計了一種能夠減小光斑橫向尺寸并延長焦深的光瞳濾波器。以矢量衍射方法計算了徑向偏振光在聚焦點附近的光強(qiáng)分布;分析了影響光斑尺寸的主要因素并以此為依據(jù)設(shè)計了連續(xù)相位型光瞳濾波器;以橫向超分辨因子為優(yōu)化目標(biāo)，施特列爾比為約束條件對濾波函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，計算結(jié)果表明在保持較高能量利用率的同時(S=0.5），獲得了更小的聚焦光斑(GT=0.75)。