基于光纤多模干涉和倏逝场效应的折射率传感器研究

摘要

折射率传感器在生物医药、化学化工以及国防军事等领域有着重要的应用，目前的化学分析类折射率传感器往往存在着分析周期长，依赖精密大型分析仪器等问题。光纤折射率传感器由于具有结构简单便携、响应速度快、灵敏度较高、抗电磁干扰等优点在近些年得到了迅猛的发展。本文对设计的光纤传感器的相关多模干涉理论和倏逝场效应等机理进行了详细介绍，对单模-多模-单模（SMS,singlemode-multimode-sigle mode)光纤传感器结构内部传输光场利用RSOFT软件进行仿真模拟，最后以基于多模干涉理论的单模-无芯-单模光纤结构以及分段式倏逝场效应光纤传感器为研究对象，探讨了其在折射率传感领域的应用潜力。
　　本文主要工作叙述如下：
　　1.对设计的折射率光纤传感器的相关多模干涉理论和倏逝场效应等机理进行了详细介绍，通过理论推导得到了谐振波长以及透射深度的表达式，为后续传感器的应用研究提供研究基础。
　　2.采用BPM数值模拟方法，计算了单模-多模-单模光纤内部光场的传输情况。分析了不同入射光波长下，输出透射谱的变化规律。模拟了SMS结构内部传输光场分布，发现输入光波长的变化会影响到自映像周期的改变。
　　3.设计一种基于单模-多模-单模光纤结构折射率液传感器，实验结果与理论结果相吻合。在SMS光纤结构中，使用的多模光纤采用的是无芯光纤，避免了处理包层时的不确定性，传感器灵敏度可以达到460 nm/RIU。
　　4.设计出一种分段式倏逝波光纤传感器，搭建实验系统并对折射率进行测量，结果表明该传感器的折射率敏感度可以达到444 nm/RIU，而且由于光纤本身较低的热光效应，使得此结构可以降低外界环境温度对其的干扰。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 基于多模干涉效应的光纤传感器研究进展

1.3 基于倏逝场效应光纤传感器概述

1.4 本论文的研究意义以及主要内容

第二章 基于多模干涉和倏逝场光纤传感器理论基础

2.1光纤模式

2.2光纤多模干涉理论

2.3光纤倏逝场效应理论基础

2.4总结

第三章 基于无芯光纤SMS结构光纤模场仿真模拟

3.1光纤模场数值计算及其分类

3.2基于有限差分法分析无芯光纤SMS结构模场

3.3基于有限元法有效折射率曲线的计算

3.4 总结

第四章 基于无芯光纤模式干涉的折射率传感器理论与特性研究

4.1基于多模干涉的SMS结构的传感原理

4.2基于无芯光纤的SMS结构实验系统

4.3无芯光纤长度对灵敏度的影响分析

4.4总结和分析

第五章 分段结构光纤倏逝波折射率传感器

5.1倏逝波折射率传感器传感原理

5.2分段式倏逝波传感器系统的设计

5.3总结

第六章 总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

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