基于微纳金属线栅与光子晶体光纤的光纤传感器

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光纤传感技术在近几十年来取得了飞速的发展。得益于光纤传感的众多优越性,如抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、重量轻、体积小、外形可变、可多路复用、易与光通讯网络互联等,光纤传感器不断的在各个领域逐渐取代相应的传统传感器。本论文的工作集中在光纤传感器的研制,主要包括光纤电流传感器与光纤氢气传感器。获得的进展如下:(1)基于微纳金属线栅的偏振选择特性,利用磁控溅射镀膜技术与聚焦离子束技术在光纤端面制备了厚度为80nm周期为200nm,占空比为0.5的金属纳米线栅作为光纤检偏器。该微纳金属线栅对不同偏振态的入射光具有选择性透射和反射特性,表现为TM光透射,而TE光被反射。测试结果显示,微纳金属线栅反射端与透射端的偏振对比度分别为16.3dB和4.8dB。基于该光纤端面微纳金属线栅,我们设计了一种全光纤外差电流传感器,灵敏度达到0.528degree/A。传感单元中法拉第旋转镜面的引入,一方面构成了反射式传感系统,增加了法拉第效应中磁场作用的有效光程,同时抵消了光路中由于光纤弯曲产生的应力双折射对检测结果带来的不利影响。光纤端面微纳金属线栅对入射光的透射、反射特性使系统可以在不使用任何分立光学元件的条件下实现外差检测,相对于使用沃拉斯顿棱镜的光外差系统,本系统具有更多的优势。(2)基于折射率引导型光子晶体光纤的特殊结构,我们设计了一种光子晶体光纤干涉仪。该光子晶体光纤干涉仪作为传感单元被用于光纤氢气传感器的制备。传感系统采用全光纤光路设计,未引入任何分立的光学元件,传感器在兼顾了系统集成度的同时又具有相对较高的灵敏度。实验中,氢气浓度在0%到5%区间变化时,系统灵敏度表现为,氢气浓度每增加1%,谐振波长向短波长方向移动0.25m。而在氢气的爆炸极限浓度下,谐振波长移动超过1nm。而大多数基于布拉格光栅的波长调制型光纤氢气传感器,在相同条件下,其波长移动仅为pm量级。总之,在光纤传感器的设计与制作过程中,我们做了一些有益的探索,也取得了一些成果。但如何将传感器的稳定性与可靠性提高并使其能够投入实际使用,仍需要我们不断奋斗与努力。
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