基于光子晶体光纤的新型传感器实验研究
光子晶体光纤的包层中一般包含了周期性排列的空气孔阵列，其特殊的结构使得这一类光纤具有传统光纤所不具备的诸多特性，比如无截止单模传输，低非线性，宽传输带宽，以及优异的色散特性等。结构上的多样性和优良的传输特性，使得基于这种光纤的传感器件表现出出色的性能，并受到人们的极大关注。本论文采用飞秒激光微加工技术和光纤熔接技术，基于双芯光子晶体光纤和简化空芯光子晶体光纤，通过实验制作了几种新型光纤传感器，并研究了这几种传感器的传感特性。 本研究主要内容包括：⑴探讨了光子晶体光纤的基本理论。包括全内反射和光子带隙效应这两种传输机制。讨论了光纤结构，比如空气孔尺寸和排列参数等，对光纤传输特性的影响。介绍了制备光纤传感器所使用的实验手段，包括飞秒激光微加工和光纤熔接技术等。讨论了飞秒激光烧蚀的机制，以及其在微加工方面的优势。⑵采用飞秒激光微加工和光纤熔接技术，基于双芯光子晶体光纤制作了光纤模式干涉仪器件。通过使用飞秒激光在光子晶体光纤端面引入微型锥状结构，成功的激发纤芯的高阶模式。使用Comsol Multiphysics软件对双芯光纤纤芯里面的模式进行了仿真模拟，并根据仿真结果分析了参与干涉的光纤模式。通过实验研究了干涉仪器件的应力传感特性和温度传感特性。⑶使用光纤熔接技术，制作了基于简化空心光子晶体光纤的干涉仪传感器。通过在简化空心光子晶体光纤与单模光纤的熔点位置引入横向错位的形式，将光子晶体光纤中的高阶模式激发，实现模式干涉。使用COMSOL软件计算了这种光纤的模式特性，仿真了参与干涉的模式的模场分布图。利用光纤中的模场分布的柱向对称的特性，实现了弯曲角度传感的方向无关特性。通过实验研究了这个光纤干涉仪器件的高温稳定特性。⑷采用飞秒激光辅助选择性填充技术，将简化空芯光子晶体光纤的一个包层空气孔填充酒精，制作了基于这种光纤的填充器件。介绍了这样的填充器件的光谱特性，分析了光谱产生的原理，并使用一个双层F-P腔的反谐振反射光波导的模型来描述实验光谱，与实验结果能够很好的吻合。利用器件光谱与光纤表面反射系数的关系，将器件应用于水位传感，并实验研究了器件的水位传感特性。此外，也研究了器件的温度传感特性。
光传感器;晶体光纤;光纤结构;激光熔接
华中科技大学
博士
光学
陆培祥
2015
中文
TP212.14;TP203
109
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）