基于微納光纖環(huán)形諧振腔的濕度傳感器研究.pdf

1、濕度是環(huán)境參量中較難檢測又特別重要的物理量之一，在眾多領(lǐng)域有影響，針對它的傳感器在響應(yīng)速度、監(jiān)測范圍、制作工藝、使用壽命等方面都有要求，然而，依托目前的技術(shù)，很難全面滿足以上要求。
　　為了能制作一種能滿足上述要求的濕度傳感器，本文首先研究了傳統(tǒng)的濕度傳感器，分類總結(jié)了其原理、優(yōu)缺點，并結(jié)合光纖傳感器的優(yōu)點，提出了用微納光纖環(huán)形諧振腔來實現(xiàn)濕度傳感的設(shè)想。
　　其次，在總結(jié)了微納光纖及微納光纖環(huán)形諧振腔研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，文章

2、分析了微納光纖的光場傳輸特性，推導(dǎo)了Knot型微納光纖環(huán)形諧振腔(MKR)的傳輸方程，并深入研究了其傳感特性以及影響傳感特性的因素。并理論分析了微納光纖吸濕和脫濕的過程，得到了濕度響應(yīng)時間的表達式。接著文章推導(dǎo)了MKR用作濕度傳感器的理論依據(jù)，并借助材料學(xué)的知識，得出了介質(zhì)密度的變化會導(dǎo)致介質(zhì)折射率變化從而影響微環(huán)諧振波長的結(jié)論。并結(jié)合常見的兩種親水性物質(zhì)：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亞胺(PAM)，通過MATLAB仿真，驗證了我

3、們的結(jié)論。
　　接下來文章總結(jié)了現(xiàn)階段制作微納光纖的常用方法，詳細介紹了實驗中用到的基于單模光纖(SM)、PMMA以及PAM微納光纖的制作方法及步驟，并描述了MKR的制作方法，研究了實驗室中制作的三類MKR的輸出光譜。
　　最后實驗研究了這三類MKR用作濕度傳感器時的濕度響應(yīng)特性，實驗發(fā)現(xiàn)：基于SM的MKR(S-MKR)濕度傳感器具有~12pm/10％RH（相對濕度）的濕度靈敏度以及14%RH到60%RH的濕度測量范圍，基于

4、PMMA的MKR(PM-MKR)濕度傳感器具有濕度靈敏度~88pm/10% RH以及17%RH到95%RH的濕度監(jiān)測范圍，而基于PAM的MKR(P-MKR)濕度傳感器的濕度靈敏度達到了~270pm/%RH，其監(jiān)測范圍也達到了10%RH到62%RH。該類濕度傳感器的響應(yīng)時間達到了毫秒量級，并且具有很好的重復(fù)性。
　　研究發(fā)現(xiàn)：這三類濕度傳感器是由單模光纖或者聚合物溶液直接拉制而成，制作過程中無需再進行任何濕敏材料的涂覆，因而制作非常