基于纳米功能材料集成微结构光纤的传感器研究

摘要

随着信息时代和物联网应用的到来以及快速发展，光通信、光互联等高速率信息的传输及处理的要求越来越高。为满足全光纤光子集成系统对微纳光子器件的要求，人们不断探求新材料、新原理、新方案和构思。结合微纳波导技术与光电功能材料物理效应，通过研究光波导中的光束传输和调控从而实现微纳光子器件成为了光子学领域发展的重要课题。本文是以各种微结构的微纳光纤作为敏感元件，借助其强倏逝场等特性，并与纳米功能材料相结合，与周围环境产生紧密的相互作用，研究了对外界环境参量敏感的一系列微结构光纤传感器。本文主要采用电弧放电法对具有不同传导特性的光纤进行了微结构设计，分析了其中光传播的特性，并结合纳米功能材料对其传感特性进行了理论和实验分析，实现了高灵敏度、低温敏感传感，具有较好的应用前景。
　　本论文主要研究内容包括：
　　1.熔接机电弧放电法制备微结构光纤。借助控制高精度平移台步进距离、速度以及熔接机的放电时间、放电功率等参数，不同直径、不同锥区长度等不同参数的锥型微结构光纤可以被制备出来。通过数值计算理论分析了锥形微结构光纤的倏逝场特性和模式能量分布的特点。随着光纤直径的减小，光纤中能量将不局限在光纤纤芯当中，有一部分能量将泄漏到包层当中，以倏逝波的形式存在。光纤直径越小，倏逝场能量越强，与外界相互作用也会增强，对外界环境变化的检测越加灵敏。
　　2.基于周期锥微结构单模光纤以及集成 SiO2纳米粒子拉锥方形光纤分别提出了折射率传感器以及相对湿度传感器。通过对高精度的平移台以及熔接机放电参数的调控分别制备出了周期锥微结构单模光纤以及锥结构方形光纤，并将锥结构方形光纤与 SiO2纳米粒子集成，分析了这两种传感器的传感机理，构建了有效的理论模型,并分别通过实验分析了外界折射率对周期锥微结构单模光纤以及相对湿度对基于 SiO2纳米粒子锥结构方形光纤这两种传感器的传感特性。
　　3.提出并实现了两种基于微结构全固波导阵列光纤的磁场传感器。分别通过熔接机电弧放电的方法在全固波导阵列光纤上制备出了锥结构以及周期锥结构，并结合纳米磁流体材料实现了对外界磁场的高灵敏度测量。计算了这两种微结构光纤的模式耦合以及干涉特性，并对其特性进行理论模拟。具体分析了两种磁场传感器的干涉峰强度以及振幅随外加磁场的变化。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2光纤传感器的简介

1.3微结构光纤简介

1.4基于纳米功能材料复合的微结构光纤的传感器

1.5本文选题意义及主要内容

第二章 微结构光纤的制备及理论分析

2.1微结构光纤的制备

2.2锥形微结构光纤的模式特性

2.3本章小结

第三章 基于微结构光纤化学传感器的研究

3.1基于周期锥结构单模光纤的折射率传感器

3.2基于拉锥方形光纤的湿度传感器

3.3本章小结

第四章 基于低温敏感的全固波导阵列光纤的磁场传感器

4.1基于拉锥全固波导阵列光纤的磁场调谐器件

4.2基于周期锥结构全固波导阵列光纤低温敏感的磁场传感器

4.3本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

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