飞秒激光双光子聚合打印微纳光纤光栅及其传感特性研究

论文摘要

微纳光纤具有强的机械性能、强的倐逝场以及光学损耗小等优异的特性,为布拉格光栅的制备提供了优秀的平台。经过四十多年的发展,研究者们提出了多种微纳光纤布拉格光栅（μ-FBG）的制备方式,有化学腐蚀法、飞秒激光诱导法、紫外光曝光法、聚焦离子束法以及飞秒激光烧蚀等方式,这些方式均是通过在微纳光纤的内部或表面诱导周期性的折射率调制,从而形成光栅。微纳光纤周围强大的倏逝场特性使得其对周围介质的变化十分敏感,因此基于μ-FBG的传感器多用于探测周围气体的浓度或液体的折射率变化。在前人的研究基础上,本课题提出了一种新的μ-FBG的制备技术,即飞秒激光双光子聚合打印微纳光纤布拉格光栅,并对成功制备出的线型μ-FBG和螺旋型μ-FBG的光谱特性与折射率传感特性以及温度特性等进行了探索。本论文的主要研究内容如下:（1）综述了微纳光纤的基本特征、常用的微纳光纤布拉格光栅的制备技术以及微纳光纤布拉格光栅的应用,它主要的应用领域为液体折射率探测、应力探测以及温度探测;综述了飞秒激光微加工的优势以及飞秒激光双光子聚合技术的发展与应用;系统的介绍了飞秒激光双光子聚合的机理。（2）介绍了在实验中搭建的飞秒激光双光子微加工系统,该系统由掺钛蓝宝石飞秒激光器、显微加工系统、三维电动位移平台以及功率计、衰减器、快门、反射镜等光学元件组成。该系统的加工精度可达到10 nm,可用于一些二维平面结构或简单的三维微纳结构的制备。（3）介绍了利用飞秒激光双光子聚合技术打印线型微纳光纤布拉格光栅结构的过程,实验中探索了激光能量对线型μ-FBG的光谱特性以及结构形貌的影响;测试了其在空气中的反射谱,在波长1481.2nm和1488.6nm处分别观察到了两个谐振峰。并将线型μ-FBG应用于折射率传感,在折射率1.446处得到了最大的折射率灵敏度为207.14nm/RIU。（4）介绍了利用飞秒激光双光子聚合技术打印螺旋型μ-FBG的过程。在线型μ-FBG的基础上,优化了光刻胶的机械性能,设计并制备了螺旋型μ-FBG。实验中使用的加工系统为femtoLAB系统,该系统集成了Yb:KGW飞秒激光器、高精度的三维线性位移平台和一套SCA的微加工控制软件,以及样品夹具、反射镜、透射镜、功率计等基本光路系统组件。实验中测试了其在空气与酒精中的反射谱和透射谱、偏振特性以及温度特性。与线型μ-FBG相比,螺旋型μ-FBG具有更强的机械性能、更稳固的结构与更高的折射率灵敏度。实验测得螺旋型μ-FBG在折射率1.365-1.395的区间内,高阶模和基模的折射率灵敏度分别为229nm/RIU和120 nm/RIU,其中基模在高折射率区（1.422-1.438）的折射率灵敏度为348.5 nm/RIU。实验测得其温度灵敏度为4.97 pm/℃,与普通μ-FBG的温度灵敏度在一个量级。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王佳

导师: 廖常锐

关键词: 微纳光纤,布拉格光纤光栅,飞秒激光双光子聚合,折射率传感测试

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 深圳大学

分类号: TN253

总页数: 68

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标签：微纳光纤论文;  布拉格光纤光栅论文;  飞秒激光双光子聚合论文;  折射率传感测试论文;