基于納米薄膜的模間干涉型光子晶體光纖甲烷傳感器研究.pdf

1、隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，光纖氣體傳感器的研究受到廣泛重視。甲烷是礦井瓦斯主要成分，在空氣中極易發(fā)生爆炸，被視為煤礦事故的“頭號(hào)殺手”，故監(jiān)測(cè)其濃度意義重大。光子晶體光纖具有不同于傳統(tǒng)光纖的傳輸特性，從而使其在傳感方面具有很好的應(yīng)用，而它在結(jié)構(gòu)上的多孔特點(diǎn)，又使其在氣體傳感方面具有特殊的應(yīng)用。
　　論文提出一種基于模間干涉的光子晶體光纖（PCF）甲烷傳感方法，采用模間干涉原理分析甲烷傳感器的導(dǎo)光機(jī)理，并通過有限元法仿真分析PCF

2、甲烷傳感過程；研究敏感薄膜折射率對(duì)甲烷的響應(yīng)特性；利用光纖偏移熔接、毛細(xì)浸涂法制作PCF甲烷敏感薄膜傳感器；建立甲烷傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)傳感器性能。主要內(nèi)容包括：
　?、倩谀ｉg干涉原理，理論分析敏感薄膜折射率、厚度和作用長(zhǎng)度對(duì)PCF反射干涉譜特征波長(zhǎng)的影響。采用有限元法分析纖芯基模和包層模電場(chǎng)分布、纖芯基模和包層模有效折射率，模間有效折射率差（PCF特征波長(zhǎng)）隨納米薄膜折射率、厚度和作用長(zhǎng)度的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，隨著敏感膜厚度

3、從100nm增加至300nm和薄膜折射率從1.455減少至1.410時(shí)，模間有效折射率差呈緩慢下降趨勢(shì)，干涉譜特征波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。
　?、谝訡ryptophane A/紫外光固化氟硅氧烷納米薄膜為對(duì)象，研究甲烷濃度對(duì)薄膜折射率影響；在線測(cè)量結(jié)果表明敏感薄膜折射率隨甲烷濃度增加而線性減小，相關(guān)系數(shù)0.996。通過優(yōu)化光纖熔接參數(shù)、PCF塌縮長(zhǎng)度、薄膜涂覆工藝，配制敏感膜涂覆溶液，并采用光纖偏移熔接、毛細(xì)浸涂技術(shù)制作PCF甲烷敏感

4、薄膜傳感器，表明光子晶體光纖最佳塌縮長(zhǎng)度約240μm。
　　③在0％～3.5%甲烷濃度范圍里，實(shí)驗(yàn)研究不同敏感薄膜厚度、PCF作用長(zhǎng)度對(duì)干涉譜特征波長(zhǎng)影響，表明隨著甲烷濃度增加，敏感膜折射率減小，從而引起干涉譜特征波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。在薄膜厚度110nm至290nm范圍內(nèi)，240nm厚度的傳感器表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.994。同時(shí)，研究非甲烷類氣體硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）、氧氣（O2）和氮?dú)猓∟2）對(duì)傳感器影