飞秒激光刻蚀新型F-P微腔传感特性的研究

摘要

光纤传感技术凭借其抗干扰能力强、本质安全、可远程测量等优点倍受各国的重视。光纤F-P干涉传感器作为光纤传感器中极为重要的一类,具有体积小、分辨率高、稳定性好、成本低廉等突出优点,成为应用最成功的光纤传感器之一。本文对光纤F-P干涉传感器的分类及其制作方法做了较为详细的分析,指出现有光纤F-P干涉传感器在制作和结构设计方面的不足。在此基础上,提出并利用飞秒激光刻蚀光纤F-P微腔,设计并研制出新型光纤微F-P干涉传感器(即V型F-P传感器),丰富了F-P光纤干涉仪的结构体系,建立了相关理论并初步探索了其应用。
　　 本文的主要研究工作及创新性成果包括:
　　 1、基于光束经过V型腔后反射光强度分布的理论分析,首次建立了光纤非平行F-P微腔的理论模型；依据该模型数值仿真了F-P干涉腔底角(不平行度)对F-P干涉腔输出光谱特性的影响。结果表明,随着光纤F-P干涉腔底角的增加,反射光的强度呈现整体下降趋势,并且干涉条纹的对比度也呈非线性地迅速降低；计算并获得了V型F-P干涉腔的最大底角值。这些分析为制作高对比度F-P微腔传感器提供了理论基础。
　　 2、在深入分析飞秒激光加工光纤微腔的机理和特点的基础上,采用800nm飞秒激光器,通过减小飞秒激光焦斑直径、超声波清洗、双面写入、化学腐蚀等措施,制作出了高对比度的非对称V型F-P微腔结构。详细分析了V型F-P传感器的弯曲特性,结果表明:F-P微腔底角变小时,传输光谱整体向短波方向漂移,自由光谱范围加大,反之亦然。分析了实验测量结果与理论模拟结果的差异,结果证明:建立的非平行F-P干涉仪模型适用于V型F-P微腔的计算与分析。
　　 3、比较系统的研究了非平行F-P微腔的流体传感特性,结果发现:非平行F-P干涉仪的开放腔结构易使液体/气体自由进出,这种结构可使待测流体充分与光纤中的光场相互作用,从而增大了光与物质的作用长度,因此具有较高的折射率灵敏度。将F-P微腔接入光纤环衰荡腔(CRDS)传感系统实现浓度测量。
　　 4、基于飞秒激光刻蚀单模光纤的实验和理论基础,对飞秒激光刻蚀光子晶体光纤微腔及其传感应用进行了初步探索；提出分层填充光子晶体光纤的新方法,数值模拟了通过分层填充光子晶体光纤对传输光场的影响；对其在传感系统中的应用进行了初步研究,对光纤微腔传感的发展提出了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 光纤传感器的特点及分类

1.2 相位调制型光纤传感器

1.2.1 Mach-Zehnder干涉型光纤传感器

1.2.2 Sagnac干涉型光纤传感器

1.2.3 Michelson干涉型光纤传感器

1.2.4 Fabry-Perot干涉型光纤传感器

1.3 光纤F-P干涉传感器分类、制作及应用

1.3.1 本征型光纤F-P干涉传感器

1.3.2 非本征型光纤F-P干涉传感器

1.3.3 在线型光纤F-P干涉传感器

1.4 课题研究的意义及主要内容

第二章 光纤F-P干涉传感器的基本原理

2.1 平行腔光纤F-P干涉传感器理论

2.2 V型F-P微腔干涉传感器基本原理

2.3 光纤F-P传感信号解调技术

2.3.1 谱峰追踪法

2.3.2 频域解调法

2.4 本章小结

第三章 飞秒激光刻蚀光纤F-P微腔

3.1 飞秒激光加工机理和特点

3.1.1 飞秒激光微加工原理

3.1.2 飞秒激光微细加工特点

3.1.3 飞秒激光微细加工应用

3.2 飞秒激光刻蚀F-P传感器

3.2.1 飞秒激光加工F-P腔系统

3.2.2 光纤F-P腔的设计与制作

3.2.3 光纤V型F-P腔输出于涉谱分析

3.3 V型F-P微腔传感理论与测量讨论

3.3.1 感测误差分析

3.3.2 弯曲传感特性

3.4 本章小结

第四章 光纤V型F-P微腔流体传感研究

4.1 V型F-P微腔测量折射率

4.1.1 测蔗糖溶液的检测

4.1.2 光纤CRDS应用

4.2 飞秒激光加工光子晶体光纤

4.2.1 飞秒激光刻蚀PCF微腔

4.2.2 光子晶体光纤的选择性填充

4.2.3 分层填充对光场影响的模拟

4.2.4 分层填充对双折射改变的模拟

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及在学期间发表的学术论文与科研成果