【摘 要】
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全光纤干涉式传感器凭借其灵敏度高、制作简单、成本低、体积小等优点已成为光纤传感器的研究热点。该类传感器一般是基于全光纤纤芯失配结构,利用模场间的失配耦合,通过包层模携带外界传感信息,再耦合回光纤纤芯并与纤芯模产生干涉,从而实现传感的目的。但由于传感器结构及光纤固有材料参数限制了参与传感的包层模的有效折射率范围,从而使该类折射率传感器的应用范围受到制约。近年来,在已有的传感结构基础上,探索新型传感结
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全光纤干涉式传感器凭借其灵敏度高、制作简单、成本低、体积小等优点已成为光纤传感器的研究热点。该类传感器一般是基于全光纤纤芯失配结构,利用模场间的失配耦合,通过包层模携带外界传感信息,再耦合回光纤纤芯并与纤芯模产生干涉,从而实现传感的目的。但由于传感器结构及光纤固有材料参数限制了参与传感的包层模的有效折射率范围,从而使该类折射率传感器的应用范围受到制约。近年来,在已有的传感结构基础上,探索新型传感结构并用于提高传感器性能已成为该类传感器研究的方向之一。本论文在全光纤干涉式传感结构的基础上,提出了一种埋入式微腔光纤传感结构。通过理论分析与实验研究相结合的方式,对该类传感器开展了较深入的理论及实验研究。本论文主要工作如下:1、综述了干涉式光纤传感器在温度、气体压强和液体折射率检测等领域中的国内外发展现状,并简要介绍了氢氟酸腐蚀法、飞秒激光微加工处理法和聚焦离子束刻蚀法三种光纤微腔结构的制作方法。2、埋入式微腔光纤传感器的温度传感特性研究。对埋入式微腔光纤传感器的温度传感原理进行分析,构建出单腔和双腔传感理论模型,对传感结构的光场和能量分布进行模拟仿真,并对埋入式微腔光纤传感器进行温度实验研究。实验结果表明:基于单腔结构的温度灵敏度为0.061nm/℃;基于双腔结构的温度灵敏度为0.072nm/℃,双腔结构的温度灵敏度比单腔结构提高了0.011nm/℃,并对单腔结构进行了封装增敏,制作出一种增敏结构,实验结果表明:增敏后的温度灵敏度为0.275nm/℃,比未增敏时提高了 4.5倍。3、埋入式微腔光纤传感器的气体压强传感特性研究。对埋入式微腔光纤传感器进行气压理论分析,构建出单腔传感理论模型,对单腔传感结构进行模拟仿真,通过实验研究了单腔传感结构的气压特性。实验结果表明:最大气压灵敏度可达 0.175nm/kPa。4、埋入式微腔光纤传感器的复合型传感特性研究。对埋入式微腔光纤传感器的复合型结构进行液体折射率传感特性原理分析,构建出复合型传感结构模型,并结合实验对复合型传感结构的液体折射率特性进行了研究,实验结果表明:当中心波长为1540.0nm时,在1.3351~1.3443折射率范围内的灵敏度为23.15nm/RIU,干涉波长向长波漂移;在1.3443~1.3512折射率范围内的灵敏度为-40.227nm/RIU,干涉波长向短波漂移。当中心波长为1584.0nm时,在1.3368~1.3512折射率范围内的灵敏度分别为:35.42nm/RIU,-33.171nm/RIU和60.64nm/RIU。
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