基于微納光纖環(huán)形腔的海水鹽度傳感研究.pdf

1、光學器件的微型化是其發(fā)展趨勢之一,對于典型的傳輸波導光纖而言,也同樣進入到微納的尺度。微納光纖區(qū)別于傳統(tǒng)光纖的最主要特點是具有倏逝場效應。傳統(tǒng)光纖中光在光纖纖芯內依靠全反射傳輸,而微納光纖中有很大一部分光能量在光纖外圍傳輸。微納光纖倏逝場的存在使得光纖對周圍環(huán)境的變化非常敏感。此外微納光纖制備簡單、成本低、易集成等優(yōu)點使其成為傳感的理想材料。微納光纖環(huán)形腔是基于微納光纖的重要傳感元件之一,本文利用微納光纖環(huán)形腔來進行海水鹽度測量,將微納

2、光學與海洋探測聯系起來,為海水鹽度的測量提供一種新穎的方法。論文的主要研究工作如下:
　　第一部分分析了海水環(huán)境中微納光纖的傳輸特性,求得了其傳輸常數和模場能量分布,進而研究了海水中微納光纖環(huán)形腔的特性。由于海水對光有吸收作用,研究了包含吸收損耗在內的 Q參數與光纖環(huán)、光纖直徑、探測波長的關系。結果表明:隨著微納光纖直徑和環(huán)直徑增大,相應的 Q參數變大;隨著探測波長的增大,Q有減小的趨勢。
　　第二部分提出了海水中溫度不敏感

3、的環(huán)形腔鹽度傳感器。首先,建立了嵌入式鍍膜的環(huán)形腔鹽度傳感器結構模型,研究了其溫度不敏感的條件。微納光纖直徑的大小影響著傳感器各部分的熱效應貢獻比例,當選擇合適的光纖直徑時,整個系統(tǒng)的熱效應為零,此時即實現了溫度不敏感性。其中重點考慮到海水的熱效應,選擇 MgF2作為嵌入式材料來使傳感器得到更好的性能。在實現了傳感器的溫度不敏感特性之后,從靈敏度和探測極限兩方面討論了傳感器的性能。結果表明,靈敏度隨鍍膜厚度和微納光纖直徑的增大而減小,隨

4、探測波長的增大而增大。探測極限隨鍍膜厚度的增大而增大。其次,為了研究鍍膜材料對環(huán)形腔傳感器的影響,又分析了裸微納光纖環(huán)形腔和嵌入在 Teflon中的環(huán)形腔傳感器。對這三種傳感器的溫度特性及性能做了比較。在靈敏度方面裸微納光纖環(huán)形腔傳感器和鍍膜材料為 MgF2的環(huán)形腔傳感器相差無幾?？紤]到應用方面,選擇鍍膜的結構能夠對環(huán)形腔進行保護。通過優(yōu)化傳感器參數,對于鍍膜材料為 MgF2的環(huán)形腔傳感器,當波長為900nm,微納光纖半徑為400nm,

5、環(huán)直徑為2000μm時,傳感器鹽度靈敏度可以達到0.02nm/‰,鹽度探測極限可達到0.18‰。最后,為了研究鍍膜方式對環(huán)形腔傳感器的影響,對圓柱型鍍膜的環(huán)形腔傳感器進行了分析。與嵌入式鍍膜環(huán)形腔傳感器相比,在靈敏度和探測極限發(fā)面都有所改善。其最高靈敏度可達0.03nm/‰,最小探測極限為0.13‰。
　　第三部分對微納光纖環(huán)形腔的鹽度傳感進行了初步實驗研究。搭建了實驗系統(tǒng),分別得到了裸微納光纖環(huán)形腔傳感器和有棒支撐的環(huán)形腔傳感器