基于Sagnac与Mach--Zehnder干涉的光子晶体光纤传感技术研究

摘要

20世纪90年代中期，世界上第一根光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)问世。与传统光纤相比，PCF是一种在横截面上包含各种排列形式的空气孔并贯穿整个光纤长度的特种光纤，其具有传统光纤无法比拟的独特且可调谐的特性，易于同敏感物质相结合获得一些新的性质，为光纤传感技术的发展提供了新的机会。 本文以光子晶体光纤为研究对象，以Sagnac干涉与Mach-Zehnder干涉原理为主线，对几种新颖实用的光子晶体光纤传感技术进行了研究，主要研究内容及结果如下: 1.根据有限元理论，将完美匹配层作为边界条件，对特定参数的具有5层空气孔的单实芯纯石英PCF与具有7层空气孔的双大孔高双折射光子晶体光纤(HighlyBirefringent Photonic Crystal Fiber，HiBi-PCF)的模场分布进行了仿真，并对其各自的特性进行了计算与分析，得出了各自的有效折射率、有效模场面积、非线性系数、色散系数随波长的变化规律，以及HiBi-PCF的高双折射特性，为后续的传感应用提供了理论依据。 2.提出了组合干涉结构，利用塌陷熔接、刻写HiBi-PCF长周期光栅并与光纤布拉格光栅级联等独特的方法，在Sagnac环内实现了芯模与包层模的耦合。成功地在Sagnac环内引入了对外界折射率、曲率敏感的HiBi-PCF敏感单元，并设计了折射率、曲率传感系统，以及温度-折射率同步测量系统，进行了原理分析、工艺研究与实验测量。 折射率测量实验结果表明，随着甘油溶液折射率的增加，传感器输出信号谐振谷波长发生蓝移，与被测折射率呈线性变化关系，折射率测量灵敏度为306.6nm/RIU;进一步实验证明了温度变化引起的测量误差可以忽略不计。曲率测量实验结果表明，在曲率为0m-1～0.48m-1的范围内，曲率的测量灵敏度高达10.171dB/m-1，最高温度误差为0.97dB，在实际应用中可以忽略不计。温度-折射率同步测量实验结果表明，随着甘油溶液折射率的增加，高双折射光子晶体光纤环镜的谐振谷波长发生蓝移，折射率测量灵敏度为-21.0714nm/RIU，而折射率对光纤布拉格光栅中心波长的影响可以忽略不计;随着温度的升高，光纤布拉格光栅的谐振波长发生红移，灵敏度为9.7pm/℃，高双折射光子晶体光纤环镜的谐振谷波长随温度的漂移可忽略不计。 3.提出了一种反射式Sagnac干涉仪结构，成功地将填充了无水乙醇的HiBi-PCF敏感单元引出环外，形成了具有独立探头的高灵敏度温度传感系统，为组建分布式传感网络提供了重要的科学依据，分别对其进行了理论仿真和实验研究。 理论研究方面:利用Jones矩阵法对其干涉谱方程进行了推导;根据有限元理论，将完美匹配层作为边界条件，对HiBi-PCF填充乙醇后的x，y偏振基模模场分布进行了仿真，并分析了其双折射特性，双折射值随温度线性增加，灵敏度为0.00139/℃;得出了不同HiBi-PCF长度下，谐振谷波长漂移随温度的变化规律;温度测量灵敏度随HiBi-PCF长度的变化规律;干涉谱的周期随HiBi-PCF长度的变化规律;HiBi-PCF长度分别为3cm、5em、7cm和9cm时，相对输出光强随温度的变化规律。 实验研究方面:采用加压注入法填充工艺和多次放电法熔接工艺制作了基于乙醇填充的HiBi-PCF温度传感探头，并搭建了基于波长解调和强度解调的温度传感系统，进行了实验测量。波长解调实验结果表明，随着温度的升高，谐振谷波长呈线性增加趋势，线性拟合度为0.9986;在25.0℃～27.5℃温度范围内，测温灵敏度为9.14nm/℃。强度解调实验结果表明，随着温度的升高，输出光功率呈正弦规律变化，在31℃～34℃温度范围内，输出光功率线性拟合度为0.9774，测温灵敏度为0.1213mW/℃，本实验采用分辨率为0.001dB的光功率计，因此本传感系统温度分辨力优于0.01℃。 4.提出了一种反射式Mach-Zehnder干涉结构，采用过熔塌陷法、过熔塌陷拉锥法以及笼型分子敏感膜涂覆等独特工艺，设计了具有独立探头的液体折射率和甲烷气体浓度传感系统，并进行了原理分析、工艺研究与实验测量。 液体折射率测量实验结果表明，利用过熔塌陷法制作的透射式和探头式光子晶体光纤Mach-Zehnder干涉仪(PCF-MZI)谐振谷波长的漂移与NaCl溶液折射率均呈线性增加的趋势，拟合度分别为0.9878和0.9825，在1.3333到1.3656折射率范围内，折射率测量灵敏度分别为111.2nm/RIU和122.6nm/RIU;利用过熔塌陷拉锥法制作的探头式PCF-MZI谐振谷波长的漂移与折射率呈线性增加的趋势，拟合度为0.9700，在1.3333到1.3737范围内，折射率测量灵敏度为181.3nm/RIU;温度在20℃～50℃范围内的灵敏度为0.0009nm/℃，在一定折射率范围内对折射率测量的影响可以忽略不计。 甲烷气体浓度测量实验结果表明，基于笼型分子A敏感膜涂覆的PCF-MZI谐振谷波长的漂移与甲烷浓度呈线性减小的趋势，线性拟合度为0.999，在0％～5％甲烷气体浓度范围内，测量灵敏度为106.63nm/浓度百分比;基于笼型分子E敏感膜涂覆的PCF-MZI谐振谷波长的漂移与甲烷浓度呈线性减小的趋势，线性拟合度为0.9853，在0％～5％甲烷气体浓度范围内，测量灵敏度为129.91nm/浓度百分比。与笼型分子A敏感膜制成的PCF-MZI传感器相比，灵敏度有一定的提升，其原因与敏感膜成膜质量和笼形分子内腔尺寸有关。

目录

声明

摘要

缩略语

1．1研究背景及意义

1．2光子晶体光纤概述

1．2．1光子晶体与光子晶体光纤

1．2．2光子晶体光纤的分类与导光机制

1．2．3光子晶体光纤的基本特性

1．2．4光子晶体光纤的制备

1．3光子晶体光纤在传感领域的应用

1．4干涉型光子晶体光纤传感技术研究进展

1．4．1概述

1．4．2基于Sagnac干涉的光子晶体光纤传感技术

1．4．3基于Mach-Zehnder干涉的光子晶体光纤传感技术

1．5主要研究内容与创新点

1．5．1主要研究内容

1．5．2创新点

第2章光子晶体光纤数值分析

2．1光子晶体光纤数值分析方法

2．1．1平面波展开法

2．1．2等效折射率法

2．1．3时域有限差分法

2．1．4多极法

2．1．5有限元法

2．2五层空气孔单实芯纯石英PCF数值分析

2．2．1结构模型建立与网格划分

2．2．2基模与包层模模场分布

2．2．3有效折射率的计算

2．2．4有效模场面积的计算

2．2．5非线性特性分析

2．2．6色散特性分析

2．3七层空气孔双大孔HiBi-PCF数值分析

2．3．1结构模型的建立与网格划分

2．3．2偏振基模模场分布

2．3．3双折射特性分析

2．3．4有效模场面积的计算

2．3．5非线性特性分析

2．3．6色散特性分析

2．4本章小结

第3章基于组合干涉结构的HiBi-PCF传感技术研究

3．1引言

3．2基于Sagnac与Mach-Zehnder组合干涉结构的液体折射率传感技术研究

3．2．1传感系统设计与原理

3．2．2实验系统与装置

3．2．3实验结果与分析

3．3基于Sagnac与Mach-Zehnder组合干涉的曲率传感技术研究

3．3．1传感系统设计与原理

3．3．2实验系统与装置

3．3．3实验结果与分析

3．4基于组合干涉与FBG级联的温度-折射率同步测量技术研究

3．4．1传感系统设计与原理

3．4．2实验系统与装置

3．4．3实验结果与分析

3．5本章小结

第4章基于Sagnac干涉的探头式HiBi-PCF温度传感技术研究

4．1引言

4．2探头式HiBi-PCF-LM温度传感理论研究

4．2．1偏振光学理论基础

4．2．2探头式HiBi-PCF-LM温度传感系统设计与原理分析

4．2．3填充乙醇的HiBi-PCF偏振基模模场与双折射特性分析

4．2．4基于乙醇填充的探头式HiBi-PCF-LM温度传感特性仿真分析

4．3乙醇填充探头式HiBi-PCF-LM温度传感实验

4．3．1传感器探头的制作工艺

4．3．2实验系统搭建

4．3．3基于波长解调的实验结果与分析

4．3．4基于强度解调的实验结果与分析

4．4本章小结

第5章基于Mach-Zehnder干涉的探头式PCF传感技术研究

5．1引言

5．2基于Mach-Zehnder干涉的PCF液体折射率传感技术研究

5．2．1传感系统与原理

5．2．2 PCF-MZI传感探头关键制备工艺

5．2．3实验结果与讨论

5．3基于Mach-Zehnder干涉的PCF甲烷气体浓度传感技术研究

5．3．1传感系统与原理

5．3．2笼形分子敏感膜的制备方法

5．3．3实验系统与装置

5．3．4实验结果与讨论

5．4本章小结

6．1研究结论

6．2研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要工作情况