基于长周期光纤光栅的环境传感特性研究

论文摘要

光纤光栅按周期长短可分为长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅,长周期光纤光栅（long-period fiber grating,LPFG）具有体积较小、附加损耗低、波长选择性好、成本低等一系列优点,在环境传感领域具有广泛的应用。本文通过采用高频CO2激光脉冲将普通单模光纤光栅,以及拉制出的直径为11μm的细芯微纳光纤写制成周期为600μm的长周期光纤光栅。研究了长周期光纤光栅对外界环境的变化,例如:温度、折射率、以及污染物浓度等的传感特性。主要研究内容及结果如下:（1）研究了光纤光栅透射谱谐振波长与环境温度的变化关系。当采用普通单模光纤进行温度传感时,其谐振峰中心波长随温度升高向长波方向移动,且其温度灵敏度为0.038 nm/℃。采用微纳光纤制备的光栅其谐振峰中心波长随温度升高呈现一个相反的趋势,即温度升高其中心波长往短波方向移动,且具有更高的温度灵敏度,其平均值可达0.140 nm/℃。（2）进行了长周期微纳光纤光栅对液体的折射率传感测试。实验结果显示其谐振峰中心波长和折射率成线性变化,折射率越大中心波长也越大。长周期微纳光纤光栅的折射率灵敏度为512 nm/RIU。（3）利用提拉法将溶胶-凝胶膜层包覆在长周期微纳光纤光栅表面制备成传感单元。该微纳光纤光栅的谐振峰中心波长随环境分子态污染物浓度的变化呈二次项变化规律,其平均灵敏度约为8.78 nm/（g/m3）。本论文利用CO2激光脉冲法制备了长周期光纤光栅,其中微纳光纤光栅较普通光纤光栅具有更高的环境温度传感灵敏度。微纳光纤光栅在液体折射率、及环境污染物浓度测量传感方面,也有相当的灵敏度、稳定性。本论文为拓展微纳光纤光栅在传感器方面的应用提供了一定的参考价值。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 长周期光纤光栅的发展概况

1.2 常见光纤光栅的分类方法

1.2.1 按周期长短分类

1.2.2 按光栅轴向折射率分布分类

1.3 长周期光纤光栅的制备技术

1.4 长周期光纤光栅在传感方面的应用

1.5 微纳光纤的发展进程

1.5.1 微纳光纤的制备

1.5.2 微纳光纤特性研究

1.5.3 微纳光纤在传感方面的应用

1.6 论文的研究目标与内容安排

1.6.1 基本问题和主要目标

1.6.2 本文的内容安排

第二章长周期光纤光栅的理论分析

2.1 前言

2.2 长周期光纤光栅耦合模理论分析

2.2.1 纤芯基模模式及模场分布

2.2.2 包层模模式及模场分布

2.3 模式耦合方程

2.4 模式耦合系数求解

2.5 本章小结

第三章长周期光纤光栅温度传感特性研究

3.1 谐振波长随温度变化的理论分析

3.2 长周期光纤光栅的制作

3.3 长周期光纤光栅温度传感测试

3.3.1 普通单模光纤光栅温度传感特性

3.3.2 微纳光纤光栅温度传感特性

3.4 总结

第四章长周期微纳光纤光栅折射率传感特性研究

4.1 微纳光纤光栅折射率传感理论

4.2 微纳光纤的拉制

4.3 微纳光纤光栅折射率传感测试

4.4 本章小结

第五章长周期微纳光纤光栅污染物传感特性研究

5.1 前言

5.2 包覆敏感膜层微纳光纤传感单元的制备

5.3 微纳光纤光栅对污染物传感机理

5.3.1 污染物浓度对光纤表面附加损耗的影响

5.3.2 微纳光纤均匀区域对附加损耗的影响

5.4 微纳光纤光栅污染物传感测试

5.5 本章小结

第六章结论与展望

6.1 论文的主要工作与创新

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 万义

导师: 徐世珍

关键词: 长周期光纤光栅,环境传感,激光,谐振峰,微纳光纤

来源: 电子科技大学

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: 电子科技大学

分类号: TP212.9;TN253

总页数: 67

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