微结构光纤光栅及太赫兹波导器件应用研究

摘要

光纤光栅传感作为光纤传感领域的重要分支，一直以来在桥梁隧道，石油化工，水利安全及生物医药等传感领域起到了基础和支柱作用。从2000年以来微结构光纤光栅研究的兴起，更是为光纤光栅传感开拓了新的研究领域。随着近年来，物联网技术的发展和智慧城市建设的提出，人们对于光纤传感器的需求更加迫切，也提出了更高的要求。另一方面，随着超快激光技术的发展，太赫兹技术逐渐成为了当下热门的研究领域。由于其相比与其它波段的一些特殊性质，使得太赫兹技术在基础研究，安全检测和生物医药等方面有着十分重要的应用。同样，因为其波段的特殊性，目前仍缺乏有效的传输介质，以及相应的波导型滤波器和传感器。本文针对以上两个研究热点的现状，进行了微结构光纤光栅传感以及太赫兹波导器件两方面的理论和实验研究，并阐述了相关研究成果。论文主要内容包括:
　　介绍了光纤传感特别是光纤光栅传感应用的广阔市场需求，以及现阶段太赫兹技术的应用研究领域和发展现状，突出了进行相关研究的必要性和重要性。接着介绍了光纤光栅和微结构光纤的发展历史和研究现状。介绍了太赫兹技术的一些背景知识以及太赫兹波导的研究现状。然后分两部分具体阐述所研究的工作。
　　首先是光纤光栅传感研究方面:从光纤光栅耦合模理论入手，理论分析了微结构光纤光栅模式特性，以及折射率和温度的感知模型。并介绍了微结构光纤光栅传感器的制备过程，并通过实验证明了我们所制备的微结构光纤光栅传感器可以解决温度和折射率交叉敏感的问题。接下来重点提出了一种基于微结构光纤光栅的反射型乙炔气体传感器。并详细阐述了传感器的传感激励，制备方法和结构优化过程，并最终通过实验实现了乙炔气体浓度的探测。
　　其次是太赫兹波导器件研究方面:介绍了目前太赫兹光纤器件，特别是滤波器的研究情况。从太赫兹的产生与探测出发，详细介绍了实验室的太赫兹时域检测系统的相关情况及数据分析处理方法。具体描述了太赫兹波段光纤布拉格光栅的设计和制备过程，并以纸张厚度检测为例，首次实现了太赫兹光纤光栅传感应用。重点提出了利用周期性结构对双金属线波导之间模式场进行调制，从而引入布拉格谐振模式，形成窄带滤波器件的设计方案。从理论上对该结构的模式和耦合系数进行分析，并通过实验制备和测试分析，实现了所提出的太赫兹滤波器设计。
　　最后进行了基于蚕丝蛋白泡沫的太赫兹波导研究。通过对蚕丝的结构性能，在光电子学方面的应用研究等情况的介绍，说明了研究背景。详细阐述了蚕丝泡沫光纤的制备过程。重点描述了对所制备蚕丝泡沫块状和光纤样品的太赫兹时域系统检测和分析结果，并结合数值仿真说明了蚕丝泡沫光纤的太赫兹传输特性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1．研究背景

1．2．研究历史和现状

1．2．1 光纤光栅传感技术

1．2．2 微结构光纤

1．2．3 太赫兹技术

1．2．4 太赫兹波导

1．3．论文的主要内容

1．4．论文的主要创新点

2 新型徼结构光纤光栅传感器研究

2．1．引言

2．2．微结构光纤光栅

2．2．1 光纤光栅耦合模理论

2．2．2 微结构光纤光栅理论分析

2．2．3 微结构光纤光栅刻写系统

2．2．4 微结构光纤光栅制备工艺

2．3．微结构光纤光栅折射率传感器研究

2．3．1 微结构光纤光栅折射率和温度传感理论分析

2．3．2 微结构光纤光栅折射率和温度传感实验分析

2．4． 微结构光纤光栅乙炔气体传感器研究

2．4．1 光纤气体传感器介绍

2．4．2 微结构光纤光栅乙炔气体传感器原理分析

2．4．3 微结构光纤光栅乙炔气体传感器实验研究

2．5．本章小结

3 新型太赫兹光纤光栅传感研究

3．1．引言

3．2．太赫兹光纤器件介绍

3．3．太赫兹时域检测系统

3．3．1 太赫兹的产生和探测

3．3．2 波导长度可调的太赫兹时域检测系统设计

3．3．3 数据处理方法

3．4．太赫兹光纤光栅制备

3．4．1 太赫兹光纤光栅仿真设计

3．4．2 太赫兹光纤光栅刻写

3．5．太赫兹光纤光栅纸张参数传感器研究

3．5．1 Origami纸张的太赫兹时域检测标定

3．5．2 太赫兹光纤光栅纸张厚测量

3．5．3 三种检测方案比较

3．6．本章小结

4 新型太赫兹波导光栅滤波器研究

4．1．引言

4．2．太赫兹滤波器件发展现状

4．3．太赫兹波导光栅滤波器设计

4．3．1 波导光栅滤波器原理

4．3．2 滤波器模式特性及耦合效率仿真计算

4．4．太赫兹波导光栅制备和测试

4．4．1 太赫兹波导光栅制备

4．4．2 太赫兹波导光栅滤波器的时域测试分析

4．5．本章小结

5 基于蚕丝蛋白泡沫的太赫兹波导研究

5．1 引言

5．2 蚕丝材料简介

5．2．1 蚕丝结构和性能

5．2．2 蚕丝蛋白光学组件制备方法介绍

5．2．3 蚕丝材料的应用概况

5．3 基于蚕丝泡沫的太赫兹波导制备

5．3．1 蚕丝蛋白的提纯

5．3．2 桑蚕丝蛋白泡沫波制备

5．3．3 桑蚕丝泡沫表征

5．4 蚕丝泡沫波导太赫兹时域检测

5．4．1 块状蚕丝泡沫的太赫兹时域检测分析

5．4．2 蚕丝蛋白泡沫光纤的太赫兹时域检测分析

5．5 基于蚕丝泡沫的太赫兹光纤仿真研究

5．5．1 蚕丝泡沫太赫兹光纤传输机理

5．5．2 蚕丝泡沫太赫兹光纤模式和色散仿真分析

5．6 本章小结

6 结论

6．1 本论文工作内容的总结

6．2 对后续工作的展望

参考文献

作者简历