强倏逝场光纤器件及氢气传感研究

论文摘要

作为物联网和未来工业4.0的重要基础,传感器始终是被业界关注的重要基础领域。从传感器的选型、设计到制备加工,人类对于高性能传感器的研究从未停止。其中,光纤传感器以其独有的性能优势现已被广泛应用于物理、化学和生物量的传感测试。为了尽可能的减小光纤传感器尺寸的同时提升传感灵敏度,倏逝场型光纤传感器近年来已受到研究人员越来越多的关注。本论文主要针对基于飞秒激光光纤微加工技术制备的强倏逝场型光纤器件进行研究,设计了一种新型的光纤表面波导氢气传感器,取得了创新性的研究成果。本论文的主要研究内容如下:1.综述了微纳光纤和飞秒激光直写光纤波导的制备技术的发展及应用,其主要特点是折射率灵敏度高;综述了光纤氢气传感器的研究进展;系统地介绍了飞秒激光-石英光纤的加工机理和光纤倏逝场理论与光栅理论。2.介绍了实验中搭建的氢氧焰微纳光纤拉锥系统,该系统由精密位移平台、氢气气路、光纤三维夹具和控制软件组成,设计并编写了微纳光纤拉锥系统的LabVIEW程序。该系统获得的微纳光纤传输损耗低、表面平整度高,理论上可获得长达1米的微纳光纤。3.介绍了飞秒激光微纳加工系统和利用飞秒激光逐点法加工布拉格光栅的制备过程,实验中探索和优化了逐点法布拉格光栅的激光加工参数和光栅结构参数,并获得了传感性能较为理想的逐点法光纤光栅。4.提出了一种新型的微纳光纤布拉格光栅的加工方法,即飞秒激光逐点法,并成功在直径为10微米的微纳光纤中制得微纳光纤布拉格光栅。测试了该结构在空气中的光谱,成功表征了该结构的温度传感性能和折射率传感性能,结果表明该结构在室温下具有与普通单模光纤光栅相似的温度灵敏度10pm/°C;在1.31-1.43的范围内具有非线性的折射率灵敏度,在1.42处的折射率灵敏度高达160nm/RIU。5.提出、设计了表面镀钯的光纤表面波导氢气传感器,分析了钯元素物理性质,系统描述了结构的设计思路与制备过程。相比于传统以D型光纤和微纳光纤为代表的倏逝场型光纤氢气传感器,光纤表面波导氢气传感器没有明显的物理损伤,因而具有更优秀的机械性能和稳定的结构。实验中分别对表面波导的折射率灵敏度和镀膜之后的氢气传感灵敏度和回复性能进行了测试,在1%-5%的氢气浓度范围内其传感灵敏度可达-3.41dB/%-H2,且具有较快的响应速度和较好的传感回复性。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨天航

导师: 廖常锐

关键词: 倏逝场,飞秒激光直写,布拉格光栅,氢传感器

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,自动化技术

单位: 深圳大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 76

文件大小: 13007K

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