基于空芯光子晶体光纤的有源内腔气体传感及网络研究

摘要

对甲烷、乙炔、硫化氢、氨气等有害气体的检测在现代化工业和环境保护中有着重要的意义。光纤型气体传感设备和方案因其多种显著的优良特性，例如抗电磁干扰能力强、基于光通信技术、体积小、易于组网、可实现自动化检测等，而成为了现今国内外传感技术领域的重要研究对象。目前，研究人员对光纤单点探测气体传感器的研究已经取得了不少成果，如何将光纤单点探测气体传感器拓展成为能够实现多点探测的气体传感网络成为了比较热门的研究方向之一。
　　本文主要对空芯光子晶体光纤(HC-PCF)有源内腔气体传感及其组网技术进行了理论和实验研究，主要工作和创新性包括以下几个方面:
　　1)将HC-PCF作为气室引入到了掺铒光纤环形激光器腔内，设计了一种新型的有源内腔气体传感器。利用掺铒光纤激光器输出特性以及Beer-Lambert定律，数值模拟了其传感特性，分析了乙炔气体浓度、耦合比、泵浦功率和输出功率之间的关系，并且模拟了不同乙炔浓度下的吸收光谱，结果表明该传感系统适用于乙炔气体传感，且具有较高传感灵敏度。
　　2)搭建了掺铒光纤激光器有源内腔气体传感系统，使用NI PXIe-4139电压系统平台对可调谐滤波器电压进行精准控制，实现了乙炔气体高灵敏度探测。实验结果与数值模拟一致。实验获得最小可探测乙炔浓度为5.4ppmv。
　　3)采用空芯光子晶体光纤和密集波分复用器，搭建了多点探测气体传感网络，实现了对乙炔气体浓度的三点探测。与使用光纤布拉格光栅的气体传感网络相比，密集波分复用器更容易实现稳定的输出。实验获得波长在1536.71nm处，灵敏度高于100ppmv。进一步运用电压梯度法对该内腔传感网络进行优化，其探测效率可提高5.5倍。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 光纤气体传感概述

1．1．1 光纤气体传感技术

1．1．2 光子晶体光纤气体传感发展近况

1．1．3 光纤有源内腔气体传感发展近况

1．1．4 光纤传感网络发展近况

1．2 光子晶体光纤概述

1．2．1 光子晶体光纤发展简介

1．2．2 光子晶体光纤分类及特性

1．3 本论文的主要内容

第二章 掺铒光纤有源内腔气体传感

2．1 掺铒光纤激光器

2．1．1 掺铒光纤激光器增益介质

2．1．2 掺铒光纤激光器泵浦源

2．1．3 掺铒光纤激光器谐振腔类型

2．1．4 掺铒光纤激光器输出特性

2．1．5 影响掺铒光纤激光器性能因素

2．2 掺铒光纤激光器有源探测分析

2．2．1 掺铒光纤激光器有源探测原理

2．2．2 阈值对探测灵敏度的影响

2．2．3 模式竞争对探测灵敏度的影响

2．3 本章小结

第三章 空芯光子晶体光纤有源内腔气体探测

3．1 空芯光子晶体光纤气体传感理论研究

3．1．1 Beer-Lambert定律分析

3．1．2 气体分子吸收的线型线宽

3．1．3 空芯光子晶体光纤导光特性

3．2 空芯光子晶体光纤气室结构设计

3．3 空芯光子晶体光纤有源内腔实验研究

3．3．1 有源内腔系统设计与搭建

3．3．2 实验结果及其结论分析

3．4 本章小结

第四章 空芯光子晶体光纤有源内腔气体传感网络研究

4．1 光纤传感网络复用技术

4．1．1 波分复用技术

4．1．2 时分复用技术

4．1．3 空分复用技术

4．1．4 码分复用技术

4．2 传感网络拓扑结构

4．3 密集波分复用器工作波长选择

4．4 系统搭建及实验结果分析

4．4．1 有源内腔气体传感网络搭建

4．4．2 实验结果及分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢