新型微結構光纖氣壓及雙參數傳感器實驗研究.pdf

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

2、、空芯光纖、雙芯微結構光纖)，采用飛秒激光微加工技術和選擇性部分填充技術，制作了三種不同結構、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構光纖的導光機理及其分類。針對光子帶隙型微結構光纖，利用ARROW模型進行分析；而對于全內反射型微結構光纖，運用模式干涉理論進行分析。同時介紹了文章所需加工技術以及實驗方法，包括飛秒微加工和手動填膠技術等。詳細介紹了飛秒激光微加工技術的優(yōu)勢以及具體微加工光纖的操作。同時

3、提出了改進的手動填膠方法，對微結構光纖進行選擇性填充。全文研究內容的主要創(chuàng)新點如下：
　　(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構光纖，同時結合選擇性填膠技術和飛秒激光微加工技術，對光纖端面進行選擇性開孔，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。在單模光纖熔接點處空氣芯與空氣孔是相互連通的，當升壓將液柱壓進空氣芯時，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域有潛在應用。
　　(2)首次利用基于反諧振波導的純石英空芯光纖(Hollow-core fiber)制作了兩種不同調制方式的氣壓傳感器件，分別為

5、強度調制型和波長調制型傳感器。強度調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，使得諧振強度發(fā)生變化從而到達傳感的目的。而波長調制型傳感器，是將強度調制型器件改進，其制作過程中需要采用飛秒激光微加工技術，將強度調制型的器件進行一個鉆孔處理。此類器件的氣壓靈敏度高達3.59 nm/MPa，同時分析了該溫度及應力交叉響應，其溫度交叉響應和應力交叉響應都很小，而且該器件探測極限極低，達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、交叉響應小、沒有明顯遲滯現象，相比于本文中第一種傳感器有更強的實際應用價值。
　　(3)對雙芯微結構光纖(Dual-core PCF)進行部分填充實驗，制作了多組分的模式干涉儀，并用于溫度和應力的多參數傳感實驗。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的問題。首先，通過手動填膠的方法，對雙芯微結構光纖的部分空氣孔填充，使其中一個芯周圍的空氣孔填