微纳光纤的制作与传感性能研究

微纳光纤的制作与传感性能研究

论文摘要

在过去的几十年里,光纤技术在传感、通信、生物、医学、航天航空等领域都得到了非常广泛的应用。随着制作工艺与理论技术的不断进步,光纤也向着微型化发展。光纤微纳化是实现光学器件小型化的重要步骤。相较于普通光纤,微纳光纤在结构尺寸、传输损耗、光场约束能力、倏逝场强等方面具有显著优势,尤其在传感领域,具有尺寸小,灵敏度高等优点。为此,开展微纳光纤的研究具有重要理论意义和应用价值。本文主要研究内容为:对微纳光纤结构特点、光波导特性以及传输损耗的理论进行了研究。自主设计了六维微纳光纤熔融拉锥平台,并利用该平台进行了微纳光纤的制备(制备的微纳光纤尺寸约为5-60μm),研究了制备的微纳光纤的光学特性。研究表明:微纳光纤与普通光纤相比,传输特性发生了很大的改变,倏逝场强大大的提高,具备普通光纤没有的微光传感特性,弯曲更敏感,耦合性也变好。此外,利用微纳光纤研究了微纳光纤传感特性:制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底的微纳光纤传感器,研究表明,以PDMS为基底的微纳光纤传感器具有更强的倏逝场,更好的传感性能;制备了微纳光纤微光传感器,研究表明,微纳光纤微光传感器对于微光具有非常好的传感性能;制备了微纳光纤弯曲传感器,研究表明,微纳光纤弯曲传感去对弯曲更加敏感,敏感度随着弯曲曲率的增大而增大。利用RSOFT软件对微纳光纤传感器进行了仿真模拟,模拟结果表明,这些传感器的理论数据与实验结果吻合比较好,为进一步的实际应用提供了理论和实验支撑。进一步地,利用微纳光纤制备了 2X2光纤耦合器,研究了微纳光纤耦合的特性,根据理论和实验研究掌握了光纤耦合器的制备工艺和理论。本课题的特色在于:自主设计了六维微纳光纤熔融拉锥平台,使用熔融拉锥法制备了 一些微纳光纤。用制备好的微纳光纤设计了三种微纳光纤传感器(以PDMS为基底的微纳光纤传感器、微纳光纤微光传感器以及微纳光纤弯曲传感器)和一种2×2微纳光纤定向耦合器,运用理论仿真对实验现象进行了分析。本论文的研究对微纳光纤传感器应用具有一定的借鉴意义。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  •   1.1 课题的目的与意义
  •   1.2 国内外发展过程与现状
  •   1.3 本课题的主要研究内容和研究方案
  •     1.3.1 主要研究内容
  •     1.3.2 主要研究方案
  •     1.3.3 论文组织结构
  •   1.4 小结
  • 2 微纳光纤的光波导理论
  •   2.1 常见的光波导结构及其导波模式
  •   2.2 微纳光纤结构特点与理论研究
  •     2.2.1 单模光纤
  •     2.2.2 微纳光纤结构特点
  •   2.3 理想微纳光纤的光波导特性
  •   2.4 微纳光纤的损耗
  •   2.5 小结
  • 3 微纳光纤制作方法与微纳光纤的制备
  •   3.1 微纳光纤制作方法
  •     3.1.1 静电纺丝法
  •     3.1.2 化学腐蚀法
  •     3.1.3 提拉法
  •     3.1.4 加热熔融拉锥法
  •   3.2 六维光纤熔融拉锥平台的搭建与微纳光纤的制备
  •     3.2.1 两步拉伸法
  •     3.2.2 六维光纤熔融拉锥平台的搭建
  •   3.3 微纳光纤的制作技术
  •   3.4 实验结果
  •   3.5 小结
  • 4 微纳光纤的光学特性测量
  •   4.1 光学特性测量器件
  •   4.2 单模光纤与微纳光纤的测量实验结果
  •   4.3 基于微纳光纤的光学传感器
  •     4.3.1 以PDMS光敏材料为基底的微纳光纤传感器
  •       4.3.1.1 光敏材料介绍
  •       4.3.1.2 基于PDMS光敏材料的微纳光纤传感器设计
  •       4.3.1.3 基于PDMS的液体微纳光纤传感器实验测量结果
  •     4.3.2 微纳光纤微光传感器
  •       4.3.2.1 微光传感的原理
  •       4.3.2.2 微光传感的优点
  •       4.3.2.3 微纳光纤微光传感器实验测量结果
  •     4.3.3 微纳光纤弯曲传感器
  •       4.3.3.1 微纳光纤弯曲传感器的设计
  •       4.3.3.2 微纳光纤弯曲传感器实验测量结果
  •   4.4 微纳光纤耦合器
  •     4.4.1 2×2微纳光纤定向耦合器的原理与制备
  •     4.4.2 微纳光纤耦合器实验测量结果
  •   4.5 小结
  • 5 微纳光纤传感器的光学特性仿真
  •   5.1 RSOFT软件介绍
  •   5.2 微纳光纤仿真
  •   5.3 微纳光纤传感器仿真
  •     5.3.1 基于PDMS的液体微纳光纤传感器仿真
  •     5.3.2 微纳光纤微光传感器仿真
  •     5.3.3 微纳光纤弯曲传感器仿真
  •   5.4 2X2微纳光纤耦合器仿真
  •   5.5 小结
  • 6 总结与展望
  •   6.1 总结与不足
  •   6.2 工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 本文作者硕士期间取得的成果
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 项火星

    导师: 王效灵,朱晓亮

    关键词: 微纳光纤,熔融拉锥,光学特性,微纳光纤传感器,微纳光纤耦合器

    来源: 浙江工商大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

    单位: 浙江工商大学

    分类号: TN253;TP212

    总页数: 99

    文件大小: 12751K

    下载量: 257

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