高品质亚波长微纳光纤制备与微光纤环气体传感特性研究

摘要

光纤是现代通信系统以及光纤传感技术的重要介质，随着科学技术的发展，人们对由其构成的光子器件微型化的需求日益增加。微纳光纤是近年新提出的一种微纳结构，其尺寸小，损耗低，光以大比例倏逝波在纤芯外传输，成为了光纤传感领域的一支新秀。如何成本低廉、可操作性强地制备高品质的微纳光纤并将其应用于最具挑战性的气体检测是国内外学者努力攻克的难题。
　　本文首先概括总结了微纳光纤的不同制备工艺以及其在各个领域中的应用，对微光纤制成的重要光子器件-环形谐振腔具体分类阐述。然后介绍了微纳光纤的光传输理论，详细阐述了实验室常用的酒精灯拉丝法。针对其缺点提出了电动位移台氢气火焰拉丝法并实验成功获得了不同尺寸的直径均匀、表面质量良好的微纳光纤，克服了以前拉丝方式的不足。
　　接着文章推导了微光纤Knot型环形谐振腔的光传输方程并采用Matlab软件仿真其光传输特性，讨论了微环谐振腔的几个衡量因素以及其对于输出光谱的影响。在介绍了微纳光纤的大比例倏逝场传播使得外界折射率变化导致微环输出光谱的漂移现象可用于气体传感之后，详细叙述了微环谐振腔的制备方法并提出了两端拉锥的微环制法。采用这种方法制成的微环由于光耦合效率的提高，输出光谱的消光比由原来的5dB提高至10dB以上，Q值增加，测量分辨率大大提高。实验研究新式微环对于挥发性化学试剂的气体传感特性，实验表明其对于丙酮的气体传感灵敏度为115.3nm/(mol/L)，对于氨气的灵敏度为52.3nm/(mol/L)，且其谐振峰的漂移量与挥发气体浓度成正比。
　　最后从马赫-泽德尔干涉仪的基本原理开始，简述了微纳光纤马赫-泽德尔干涉仪的原理以及制作方法并使用Matlab软件仿真了其光传输特性。在此基础上，提出了微纳光纤环形谐振腔与马赫-泽德尔干涉仪的复合结构，理论并实验研究了其传输特性，这种结构可以实现多参数测量，提高输出光谱的消光比，应用于折射率传感领域。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2国内外研究动态

1.2.1微纳光纤的研究

1.2.2微光纤环形谐振腔的研究

1.3本课题意义及主要内容

第二章 微纳光纤理论与制备工艺研究

2.1 微纳光纤传输理论

2.2 酒精灯一步拉丝法

2.3电动位移台氢气火焰拉丝法

2.3.1拉丝装备

2.3.2拉丝实验

2.4本章小结

第三章 微光纤环形谐振腔及其气体传感特性研究

3.1 微光纤环形谐振腔理论

3.1.1 微光纤环形谐振腔传输理论

3.1.2微光纤环形谐振腔的气体特性

3.2微光纤环形谐振腔制备与气体传感实验

3.2.1微光纤环形谐振腔的制备

3.2.2微光纤环形谐振腔气体传感实验

3.3 本章小结

第四章 微光纤马赫-泽德尔干涉仪与环形谐振腔复合结构研究

4.1微光纤马赫-泽德尔干涉仪研究

4.1.1光纤马赫-泽德尔干涉仪原理及制作应用

4.1.2微光纤马赫-泽德尔干涉仪制备及其传输特性

4.2微光纤马赫-泽德尔干涉仪与环形谐振腔复合结构特性

4.2.1微光纤马赫-泽德尔干涉仪与环形谐振腔复合结构制备

4.2.2微光纤马赫-泽德尔干涉仪与环形谐振腔复合结构传输特性

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果