碳纳米管薄膜微纳光纤气体传感特性研究和模场分析

摘要

近年来随着对电子、光子器件微型化的应用需求，纳米材料和微纳光波导迅速发展。微纳光纤以其大比例的倏逝波，体积小，制备简单，损耗低等特点被广泛的应用在光子学领域。利用微纳光纤倏逝波传输原理构建的光学器件，如：微纳Mach-Zehnder干涉仪，微环谐振腔，饱和吸收体等，可以在一定范围解决普通光学器件尺寸大的缺点，也可以克服集成光波导制作困难和损耗大的不足。
　　自1991年日本饭岛意外发现碳纳米管以来，碳纳米管材料就被科学家们认为是21世纪最有前途的纳米材料。根据石墨烯片的层数，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，我们实验研究中选用的是单壁碳纳米管。碳纳米管具有巨大的长径比，是理想的一维纳米材料。特殊的结构使具有优秀的电学、力学、化学、光学性能，在制作分子电子学器件、纳米电子器件，复合材料，光学器件等领域都有广阔的应用前景。
　　我们提出利用LB镀膜技术将碳纳米管均匀沉积到微光纤表面的设想，并通过实验研究此结构的气体传感特性和模场特性。论文主要工作和研究内容包括以下几方面：
　　一、论文介绍了微纳光纤的机械、损耗、色散等性质，简单总结了目前报道的几种主要制备方法。我们选取了一种简单的适合实验室操作的获取方法，利用酒精灯将普通光纤加热至熔融状态，然后匀速拖动光纤的一自由端。通过这种方法制得的光纤，直径可以达到几微米，而且表面均匀光滑，满足实验需求。
　　二、研究将碳纳米管转移到微光纤表面的LB镀膜工艺，我们将碳纳米管溶解在三氯甲烷中，通过超声机制备出分散性良好的溶液，然后利用KSV5000镀膜系统，将碳纳米管单分子薄膜均匀沉积到微光纤表面。改进镀膜工艺和实验环境，寻找一种可以稳定地制备出高质量的碳纳米管薄膜微光纤方法。
　　三、通过数值仿真和建模对碳纳米管薄膜微光纤进行理论分析，首先计算了不同折射率包层对微光纤的光场分布影响。然后分析了碳纳米管薄膜微光纤处于不同浓度气体环境下的能量分布，讨论碳纳米管薄膜与气体分子之间的作用机理，并找出薄膜介电常数、吸收系数的改变对输出光强的影响。通过对基于倏逝场圆光纤电磁波理论的建模，并考虑微光纤表面沉积多层薄膜的影响，用Matlab模拟仿真碳纳米管薄膜对微光纤传播光的影响，分析薄膜微光纤的模场特性。
　　四、搭建实验光路研究碳纳米管薄膜微光纤的气体传感特性和模场特性。首先，我们测量碳纳米管薄膜在气体环境下传输光强的变化，分析气体浓度、薄膜层数对此结构输出光强的影响，讨论其作为气体传感器的优势和可行性。其次，利用模场分析仪，我们观察微光纤的模场特性，分别测量在不同波长的光源下，丙酮和二甲苯气体对未镀膜微光纤和碳纳米管薄膜微光纤能量分布的影响。光强实验和模场分析实验结果都有力的验证了我们理论分析的正确性。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2国内外研究动态

1.3本课题意义及主要内容

第二章 微纳光纤与碳纳米管薄膜特性

2.1 微纳光纤传感特性

2.2 碳纳米管薄膜在光纤传感中的应用

2.3 本章小结

第三章 碳纳米管薄膜微纳光纤的传感理论研究

3.1 碳纳米管薄膜微纳光纤的传感结构的理论分析

3.2 碳纳米管薄膜微纳光纤的传感结构的建模及仿真

3.3 本章小结

第四章 基于亚波长直径微纳光纤的LB镀膜技术研究

4.1 微纳光纤的制备

4.2 碳纳米管薄膜的制备

4.3 本章小结

第五章 碳纳米管薄膜微纳光纤气体传感实验研究

5.1 气体传感中的光强吸收实验

5.2 气体传感的模场实验

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果