光纤倏逝波化学传感器设计与应用研究

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在化学传感器研究中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,并进行相应的数值模拟,对本征型、锥形和布拉格光栅光纤结构倏逝波光场分布情况及反射光谱进行仿真模拟,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)和光纤耦合模理论(CMT)的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,从而预测基于倏逝波理论的光纤传感器在化学传感领域的应用潜力。通过分析模拟所得结果,得出传感规律,为后文实验设计提供参考依据。3、采用本征型光纤结构,以氯化钠溶液折射率的检测为例进行实验研究,设计并制作了基于倏逝波理论的光纤折射率传感器。实验中光纤部分采用HF溶液腐蚀,并通过实验的方法测出光纤腐蚀速率。实验探究了相同传感长度不同直径及相同传感直径不同长度对光纤折射率传感灵敏度的影响,结果表明:传感直径越小,传感长度越长,归一化输出功率越小,折射率灵敏度越高,这与数值模拟结果一致。
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