基于倏逝场的塑料光纤液体折射率传感技术研究

摘要

折射率是一个基本的光学参量，折射率的测量在化学、生物、环境监测以及食品安全领域都有着重要的应用。光纤折射率传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、可远程操作等诸多优点而倍受青睐。而塑料光纤凭借其数值孔径大、弹性应变范围高、柔韧性好、成本低以及易于加工等特点更适合应用于折射率传感器中，因此塑料光纤折射率传感技术的研究具有重要意义。
　　本论文首先介绍了塑料光纤的基本参数以及光纤的模式理论，并以LP01模和LP11模电场为例，利用MATLAB软件对模式场的特征方程进行了数值计算，并仿真了不同归一化频率V下的模式场分布。详细研究了倏逝场理论以及基于倏逝场效应的光纤传感原理。自制实现了一台可编程控制的光纤拉锥机，利用它拉制出多种锥区形状的锥型光纤。作为对比，利用轮式侧抛磨方法制作出了D型光纤传感头。分别实验实现了锥型和D型这两种传感头的塑料光纤液体折射率传感器。为了进一步提高传感器的灵敏度，还优化研究了改变锥区数量和改变D型光纤传感头的深度及曲率半径等情况下的传感器表现，主要实验结果如下:
　　(1)基于锥型塑料光纤的折射率传感器:由于锥型区域的存在，传输光功率会随着外界环境折射率的增加而减小，用三个波长(532nm，633nm和780nm)的光进行实验，实验结果表明633nm为最佳波长，因为在此波段传感器具有最高的灵敏度。进一步的研究表明，当锥型区域的直径变小，其传感器的线性度会增加，这对传感器灵敏度也有一定的改善。若使用双锥型结构的塑料光纤，则传感器的灵敏度和线性度会更好，发射功率为1mw的双锥型结构传感器其灵敏度可达955μw/RIU。
　　(2)基于D型塑料光纤的折射率传感器:当外界环境的折射率从1.33～1.44之间变化时测量光的传输损耗，结果表明传输损耗和折射率呈现出一个良好的线性关系。用四种不同凹槽深度的D型光纤传感头来进行实验，我们得到当D型光纤凹槽深度为500μm时，其传感器灵敏度最高。用不同弯曲程度的光纤传感头来进行实验，我们得到当D型光纤弯曲的曲率半径越小，其传感器灵敏度越高。
　　因此，为了提高传感器灵敏度和线性度，对于锥型塑料光纤折射率传感器我们可以同时适当减小锥区直径和增加锥型区域的数量;对于D型塑料光纤折射率传感器，我们可以通过改变D型凹槽的深度和光纤传感头的曲率半径，使传感器灵敏度得到最优化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光纤传感器概述

1．2 光纤折射率传感器研究现状

1．3 塑料光纤的优势

1．4 塑料光纤的应用现状

1．5 论文的主要内容及结构

第二章 塑料光纤的基本参数及模式分析

2．1 塑料光纤的结构

2．2 塑料光纤的基本特性参数

2．2．1 折射率分布

2．2．2 数值孔径

2．2．3 光纤损耗

2．3 光纤的模式分析

2．3．1 光纤传输模式

2．3．2 单模光纤的特征方程数值解

2．3．3 多模光纤的模场分布

2．4 本章小结

第三章 基于倏逝场效应的光纤传感理论研究

3．1 倏逝场效应

3．1．1 倏逝场的理论研究

3．1．2 基于倏逝场效应的光纤传感原理

3．2 锥型光纤传感理论研究

3．2．1 锥型光纤

3．2．2 锥型光纤折射率传感器的传感原理

3．3 D型光纤传感理论研究

3．3．1 D型光纤

3．3．2 D型光纤折射率传感器的传感原理

3．4 本章小结

第四章 塑料光纤折射率传感技术的实验研究

4．1 基于倏逝场效应的光纤传感探头的制作

4．1．1 实验材料

4．1．2 锥型塑料光纤的制作

4．1．3 D型塑料光纤的制作

4．2 锥型塑料光纤传感器的实验研究

4．2．1 实验装置及说明

4．2．2 实验结果与讨论

4．3 D型塑料光纤传感器的实验研究

4．3．1 实验装置及说明

4．3．2 实验结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 未解决的问题及工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间研究成果