基于微纳光纤模式耦合的高灵敏多参量传感机理及实验研究

摘要

微纳光纤是直径在微米或者纳米量级的光纤波导，存在较强的倏逝场，对外界参量的变化十分敏感。与普通光纤传感器件相比，基于微纳光纤的传感器具有高灵敏度、小尺寸、易与其他光波导器件耦合等特性，其在折射率、温度、应力、声波、电流、磁场和生化等方面的传感应用近年来被广泛地研究报道。
　　本论文在国家自然科学基金面上项目的资助下，针对材料固化成型过程监测等领域中对超高灵敏、多参量传感探测的发展需求，重点研究了基于两种微纳光纤结构即D型微纳光纤和多模微米光纤的模式耦合理论和灵敏度增强机理，及折射率/温度双参量探测机理，完成了相应的理论和实验研究。论文的主要内容包括：
　　（1）系统地介绍了 D型微纳光纤的制备工艺，利用商业光学软件 COMSOL Multiphysics分析了D型微纳光纤的光场分布、双折射系数、倏逝场比例和折射率、温度灵敏度；利用D型微纳光纤的强倏逝场优势，结合Sagnac偏振干涉装置，实现了超高灵敏度折射率和温度传感。
　　（2）从二维光波导模式的本征方程出发，仿真分析多模微米光纤的模式有效折射率、光场分布和倏逝场比例，论证了基于多模微米光纤模间干涉和强倏逝场的折射率灵敏度增强机理。首次发现多模微米光纤折射率灵敏度的转折点，在转折点处折射率灵敏度可以达到??，对于实现超高灵敏折射率传感具有重要的指导意义。进一步通过实验验证了理论的正确性，且在直径4.6μm的光纤上获得了高达10777.8 nm/RIU的折射率灵敏度。
　　（3）针对多参量传感需求，提出了基于多模微米光纤的双臂马赫-泽德干涉（MZI）传感结构。通过将多模光纤引入到双臂MZI装置的传感臂中，同时结合多模微米光纤的模间干涉以及双臂之间的双光束干涉，实现基于单个MZI装置的折射率/温度的双参量同时传感。此外，对两组干涉叠加产生的干涉光谱采用高斯拟合，准确提取干涉谐振波长。通过追踪分析光谱包络波谷波长和密集干涉谱波谷波长的漂移，获得了折射率灵敏度2576.584 nm/RIU和1001.864 nm/RIU，以及温度灵敏度-0.193 nm/℃和0.239 nm/℃的实验结果，为目前双参量传感研究中报道的灵敏度指标最高值。
　　（4）为了进一步减小传感单元的尺寸，提出了基于in-line（线内）多模微米光纤的双MZI结构。通过多模-单模-多模微米复合光纤结构同时获得单模光纤的芯包模式干涉以及多模微米光纤的模间干涉，从而利用单根光纤结构就可实现折射率/温度的双参量测量。该传感结构是单线结构，具有结构简单、尺寸紧凑等特点；同时两个模式干涉均是in-line干涉，之间相互独立无串扰，能有效避免震动和空气扰动的影响，具有优异的稳定性。通过追踪光谱谐振波长的漂移，实验获得了折射率灵敏度-23.672 nm/RIU和3820.230 nm/RIU，以及温度灵敏度81.2 pm/℃和-465.7 pm/℃的技术指标，可以实现高精度的双参量测量。
　　（5）为了适应传感网的接入需求，提出了基于多模微米光纤菲涅尔反射的传感结构。通过切平多模微米光纤尾纤端面，将多模微米光纤模间干涉和光纤端面菲涅尔反射强度调制相结合。利用单线反射式传感结构即可实现折射率/温度双参量的同时传感。采用正弦函数拟合反射光谱，可以从光谱中同时解调出反射光谱幅值强度以及干涉谱的自由光谱范围（FSR）。通过追踪光谱强度和FSR随折射率、温度变化的漂移，获得了折射率灵敏度-72.247 dB/RIU和68.122 nm/RIU，以及温度灵敏度0.0283 dB/℃和-17 pm/℃的实验结果。该传感结构是单线反射式，可制备成微尺度光纤探针，利于生化检测。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 微纳光纤简介和应用研究进展

1.3 多参量光纤传感器的研究意义和技术现状

1.4 本论文的主要工作

2 微纳光纤光学仿真和制备工艺

2.1 微纳光纤的理论模型

2.2 单模/多模/D型微纳光纤的光场分布特性

2.3 微纳光纤的制备工艺

2.4 本章小结

3 超高灵敏微纳光纤传感器的理论和实验研究

3.1 D型微纳光纤的制备工艺和传感特性研究

3.2 多模微米光纤的光学特性和传感特性研究

3.3 主要创新点

3.4 本章小结

4 基于多模微米光纤MZI的折射率/温度双参量传感研究

4.1 基于多模微米光纤MZI结构的双参量传感方案设计和机理研究

4.2 基于多模微米光纤MZI结构的双参量实验研究

4.3 本节的核心创新点

4.4 本章小结

5 基于in-line 多模微米光纤MZI的折射率/温度双参量传感

5.1 基于in-line 多模微米光纤MZI的结构设计及制作

5.2 基于in-line多模微米光纤MZI的双参量传感机理分析

5.3 基于in-line多模微米光纤MZI的双参量传感实验研究

5.4 主要创新点

5.5 本章小结

6 基于多模微米光纤菲涅尔反射的折射率/温度双参量传感

6.1 基于多模微米光纤菲涅尔反射的双参量传感机理分析

6.2 基于多模微米光纤菲涅尔反射的双参量传感实验研究

6.3 主要创新点

6.4 本章小结

7 全文总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间的相关成果

附录3 英文缩写简表