【摘 要】
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光纤传感器具有小型化、抗腐蚀、不受电磁干扰、可远距离监测等特点,在国防、油井、建筑、生物医学、能源等领域有着广阔的应用前景。少模光纤具有低线性、模场大、模式可控、低损耗、低色散等优点,在光通信系统、光传感技术与光纤激光等研究领域具有非常重要的意义和前景。本文的主要工作是对少模错位光纤Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪进行理论和实验研究。重点研究了少模光纤单错位M-Z干涉仪在高温（20℃-10
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光纤传感器具有小型化、抗腐蚀、不受电磁干扰、可远距离监测等特点,在国防、油井、建筑、生物医学、能源等领域有着广阔的应用前景。少模光纤具有低线性、模场大、模式可控、低损耗、低色散等优点,在光通信系统、光传感技术与光纤激光等研究领域具有非常重要的意义和前景。本文的主要工作是对少模错位光纤Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪进行理论和实验研究。重点研究了少模光纤单错位M-Z干涉仪在高温（20℃-1000℃）下的传感特性;少模光纤拉锥单错位结构微纳光纤生物传感器的制作及生物检测应用;基于正交错位结构少模光纤M-Z干涉仪的制作及其用于双参量传感的实验研究。本文的研究内容及创新性研究成果如下:一、提出一种基于少模光纤单错位结构的M-Z干涉仪,对其传输及传感机制进行研究,利用有限元分析软件（COMSOL）,对少模光纤模场进行建模,分析并验证实验中所激发干涉模式。实验上分析了径向错位量、少模光纤长度等结构参数对传感性能的影响,选择一段长度为3cm（少模光纤）、单模与少模光纤纤芯错位量为12.5μm的M-Z干涉仪对高温传感特性进行实验研究。引入高温退火工艺消除传感器少模光纤段残存的应力影响,大大提高了传感器的稳定性和可重复性。对少模光纤错位型M-Z传感器在950℃下进行两小时退火处理,实现了从室温到1000℃大范围内高温传感,四次升温实验温度灵敏度均值为52.91pm/℃。通过分析不同退火时间和温度对传感性能的影响发现,在一定范围内增加退火时间能有效的提高传感器的稳定性,适当增加退火温度能有效的提高退火效率。二、提出并设计了基于拉锥少模光纤单错位结构微纳光纤传感器,利用光束传播法（BPM）在Rsoft软件中对锥形光纤进行建模仿真分析其模场分布。改变周围环境场折射率仿真透射光谱,对仿真光谱的折射率响应进行拟合,得到仿真折射率灵敏度为1730nm/RIU,与实际测得折射率灵敏度（1702.4nm/RIU）基本吻合。对少模光纤拉锥传感区表面进行功能化处理,修饰一层浓度为50μg/ml的兔抗猪免疫球蛋白G（Ig G）,实现了对不同浓度猪Ig G（50ng/ml、1ng/ml、100pg/ml）的高灵敏度检测。该传感器高效、易操作、响应快,为光纤生物传感器的实际应用提供了有利支撑。三、首次提出并设计制作了基于正交错位结构的少模光纤M-Z干涉仪,通过调整正交错位结构参数（错位方向、错位量）同时激发出包层模式和纤芯模式,并相互干涉。本文从理论上分析了各种干涉模式产生的机理,并对其传感性能在实验上进行了验证。借助包层-纤芯模式之间的干涉及纤芯-纤芯模式之间的干涉对环境参数（温度、应力）灵敏度不一致的特点,结合传输矩阵实现双参数测量,得到两种模式的温度传感灵敏度分别为68.09pm/℃和-51.55pm/℃,应力传感灵敏度分别为-0.73pm/με和-1.43pm/με。并在550℃高温条件下对对温度和应力进行了监测,温度传感灵敏度分别为-75pm/℃和175.5pm/℃,应力传感灵敏度分别为-3.08pm/με和-0.95pm/με,该传感器在高温条件下依然保持良好的工作性能,所以在航天飞机、油井、能源、冶金等高温测量领域具有巨大的市场价值。
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