基于填充型光子晶体光纤的多参量传感机理研究

论文摘要

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）由于其良好的光控能力和灵活的设计自由度,成为光纤传感领域的研究热点。通过在PCF包层结构中选择性填充对外界环境敏感的功能材料,可实现不同功能的高灵敏度传感测量。然而,在测量过程中,外界温度、磁场等因素很容易干扰到PCF的光学特性而导致偏差。若能在同一器件中实现多种参量的同时测量,既可以提高传感装置的集成度,又能解决传感交叉敏感难题。因此,对填充型PCF多参量传感机理的研究,提供了一种高灵敏、易制备、能集成的传感器设计新思路。本文优化设计了三种不同的填充型PCF传感器,实现了多参量传感测量:（1）在填充型PCF中蚀刻长周期光栅（Long Period Grating,LPG）,利用其双谐振特性,提出一种高灵敏PCF-LPG温度传感器。通过对包层气孔选择填充磁流体（Magnetic Fluid,MF）材料,使得包层模和纤芯模的耦合出现双谐振峰,利用两谐振峰的间距即可实现温度的高灵敏传感。此外,为增大温度的检测范围,在内层空气孔填充乙醇而其它孔填充MF,可在0°C-60°C范围内达到2.99 nm/°C的温度灵敏度。（2）基于模间干涉（Modal Interference,MI）和定向耦合（Directional Coupling,DC）传感机制,实现了温度和磁场的双参量测量。通过在PCF包层结构中选择特定的空气孔并填充MF材料引入缺陷通道,利用纤芯高阶模与缺陷模的耦合增加传感测量的自由度。深入分析干涉光谱和损耗光谱随温度及磁场的漂移特性,结合双参量矩阵法解决传感交叉敏感难题。（3）基于选择填充型PCF,结合缺陷耦合传感机理,设计了一种可同时检测曲率、弯曲方向、温度与磁场的多参量传感器。通过在PCF包层结构中选择四个对称空气孔并填充MF材料,在垂直方向和水平方向分别引入两个对称缺陷通道。基于纤芯模与缺陷模的耦合,在纤芯模损耗光谱中出现两个明显的损耗峰。研究表明,当PCF沿X或Y方向弯曲时,对应损耗峰发生分裂,而另一损耗峰则保持不变。利用X、Y方向弯曲损耗分裂峰的间隔随弯曲变化的漂移特性,可实现曲率与弯曲方向的同时检测。此时,弯曲测量不会受外界温度或磁场的影响。另一方面,利用两分裂峰的中心波长均值随温度与磁场的漂移特性,可实现对温度和磁场的同时传感而不受弯曲情况干扰。

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致谢

摘要

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变量注释表

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 光子晶体光纤概述

1.3 光子晶体光纤传感研究现状

1.4 主要内容及创新点

1.5 小结

2 光学理论基础与分析方法

2.1 波动方程

2.2 耦合模理论

2.3 长周期光纤光栅理论

2.4 模间干涉原理

2.5 光子晶体光纤数值分析方法

2.6 小结

3 液体填充PCF-LPG双谐振温度传感特性研究

3.1 理论建模与优化

3.2 温度传感特性分析

3.3 改进PCF-LPG传感特性研究

3.4 小结

4 基于模间干涉和定向耦合的PCF温度-磁场传感特性研究

4.1 理论建模与参数优化

4.2 传感特性研究

4.3 小结

5 基于缺陷耦合的PCF多参量传感特性研究

5.1 理论方法与建模

5.2 传感特性研究

5.3 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王晴

导师: 刘海

关键词: 光子晶体光纤,多参量传感,长周期光栅,模间干涉,定向耦合

来源: 中国矿业大学

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: 中国矿业大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 83

文件大小: 2691K

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