高灵敏度分段结构光纤倏逝波传感研究

摘要

光纤传感器因具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰和远距离传感等优点而成为传感器研究热点。本文对基于倏逝波理论的光纤化学传感器的传感原理进行了理论分析，提出一种分段结构光纤倏逝波传感器。并运用光束传播法对本征直形和分段结构光波导进行数值模拟，并在模拟的基础上进行实验设计和测量，从理论，模拟，实验三个方面研究基于分段结构倏逝波光纤传感器的传感特性。
　　本文的主要工作内容具体叙述如下：
　　1、对光纤模式理论：时域有限差分光束传播法(FD-BPM)基础理论知识进行了详细的介绍，通过理论推导，得到它们的计算表达式，从表达式中出发，给出了相应算法的流程步骤，并根据流程步骤分别得出了算法模拟图，为后续传感器的模拟分析奠定理论基础。
　　2、通过对基于倏逝波理论的光纤传感器理论推导，得到分段结构倏逝波传感器灵敏度的计算公式，从公式中发现，灵敏度与敏感区域中光纤的结构参数及外界环境参数有关。通过分析模拟结果，分析不同分段数和不同纤芯直径，不同结构和不同传感长度以及溶液浓度对分段结构倏逝波传感器灵敏度的影响，为后文实验设计提供参考依据。
　　3、通过化学腐蚀方法制备出不同结构参数的倏逝波传感器，并用不同浓度亚甲基蓝溶液对传感器的灵敏度特性进行实验验证。实验结果表明：在传感长度相同的条件下，纤芯直径越小，分段数越多，传感器的灵敏度越高；在传感直径相同的条件下，传感长度为5cm分段结构光纤倏逝波传感器的灵敏度优于传感长度为6cm的传统的单一的直形传感器的灵敏度。分段结构光纤倏逝波传感器能有效的激发光纤中低阶模到高阶模的转变，从而提高传感器的灵敏度。实验结果与模拟和理论结果相符。因此，分段结构光纤倏逝波传感器相对于传统的单一的直形传感器不仅具有较高的灵敏度，且机械强度较高，在物质光谱检测方面有着潜在的应用。

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1 绪论

1.1引言

1.2光纤化学传感器

1.3光纤倏逝波化学传感器原理及发展状况

1.4本文的研究意义

1.5本文主要研究内容与结构安排

2 光纤模式理论

2.1时域有限差分光束传播法(FD-BPM)

2.2倏逝波传感理论

2.3 RSoft软件介绍

2.4本章小结

3 分段结构光纤倏逝波传感器理论模拟分析

3.1分段结构光纤倏逝波传感器

3.2不同分段FD-BPM数值模拟与分析

3.3不同传感长度直形与分段结构光纤倏逝波传感器

3.4本章小结

4 分段结构倏逝波传感器实验研究

4.1腐蚀速率的测定及分段结构传感器制作

4.2宽光谱测量系统搭建

4.3实验结果与分析

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1主要工作和总结

5.2改进与展望

参考文献

作者简历