【摘 要】
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光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）以其独特的光学性能和结构优势,近年来得到了广泛而深入的研究,且被应用于各种类型的传感器及特种激光器等领域。基于空芯光子晶体光纤（Hollow-core PCF,HC-PCF）的新型气体和液体传感器,由于其相比传统传感器更易实现全光纤、高灵敏度、长距离和分布式传感,成为传感领域的研究热点。进一步将高性能光纤激光器应用于有源内腔传感技
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光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）以其独特的光学性能和结构优势,近年来得到了广泛而深入的研究,且被应用于各种类型的传感器及特种激光器等领域。基于空芯光子晶体光纤（Hollow-core PCF,HC-PCF）的新型气体和液体传感器,由于其相比传统传感器更易实现全光纤、高灵敏度、长距离和分布式传感,成为传感领域的研究热点。进一步将高性能光纤激光器应用于有源内腔传感技术中,能够实现高灵敏度和高分辨率传感。本文围绕HC-PCF传感器和高性能有源内腔光纤传感器展开研究,主要研究内容和创新点包括:1.高灵敏度HC-PCF气体传感器的研究。根据商用HC-PCF的结构,优化设计了一种具有花形中心孔的HC-PCF气体传感器。通过有限元方法对其进行了数值研究,在入射光波长为1.56μm时,花形中心孔结构的HC-PCF气体传感器能够获得最高0.9998的相对灵敏度因子,而典型的圆形中心孔结构仅为0.9435。2.基于表面等离子体共振的大范围高线性HC-PCF液体折射率传感器的研究。提出并数值模拟了一种通过选择性镀金膜实现的液体折射率传感器。传感器可以在近红外区域,大折射率范围1.27-1.45内工作,克服了其它报道的边孔填充型PCF传感器在1.42折射率处的限制。此外,折射率和传感共振波长高度线性,平均光谱灵敏度达到5653.57 nm/RIU（Refractive Index Unit）。3.基于双波长环形腔光纤激光器的高灵敏度PCF气体传感器的理论与实验研究。通过对双波长光纤激光器的仿真与实验研究,论证了一种基于双波长激光器模式竞争现象的灵敏度增强的有源内腔吸收型气体传感器。实验中,2 m长的HC-PCF中被填充浓度为1000 ppmv（parts per million by volume）的乙炔气体后,由于传感波长与参考波长之间存在模式竞争,传感波长输出强度骤降38.6 d B。获得最小可探测乙炔浓度为29.53 ppmv,相比以往类似工作提高了一个数量级。4.基于窄线宽单频光纤激光器的高分辨率有源内腔温度传感器的研究。实验研究了一种运用光学外差光谱技术解调,借助单频光纤激光器窄线宽特性实现的高分辨率温度传感器。在实验中,当单频光纤激光器的洛伦兹线宽小于1 k Hz且温度传感器工作在3-85℃时,可获得14.74 pm/℃的波长灵敏度。进一步利用外差光谱法解调,在18.26-18.71℃范围内,分别获得了高达1832 MHz/℃的频率灵敏度、5?10-3℃的分辨率和3.1?105的品质因子。
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