光纖中微通道與微腔的飛秒激光制備及其傳感特性.pdf

1、近年來(lái)，光纖中微通道和微腔結(jié)構(gòu)在光纖傳感領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。光纖中微通道和微腔結(jié)構(gòu)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、直接作用于光纖纖芯，而且能夠在光纖內(nèi)形成法布里珀羅（Fabry-Perot,簡(jiǎn)稱 FP）干涉，液體折射率、溫度、拉力等外界參數(shù)變化能夠通過(guò)光纖中微通道和微腔結(jié)構(gòu)對(duì)光纖內(nèi)的光信號(hào)產(chǎn)生相位調(diào)制。因此，光纖中微通道和微腔結(jié)構(gòu)具有更高的傳感靈敏度，在液體折射率、溫度、拉力等參數(shù)的傳感方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文中，作者提出利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊

2、穿在光纖中制備微通道和微腔結(jié)構(gòu)的全新方法，并通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究光纖中微通道和微腔結(jié)構(gòu)的傳感特性，設(shè)計(jì)和制備出具有更高傳感靈敏度的光纖中微通道和微腔結(jié)構(gòu)。具體工作如下：
　　利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿在光纖中制備出單微通道結(jié)構(gòu)，研究了其溫度傳感特性。利用該方法在光纖中制備的微通道直徑均勻，位置精確可控，內(nèi)表面粗糙度相對(duì)較小，制備效率高，整個(gè)制備過(guò)程僅需1-2分鐘。理論和實(shí)驗(yàn)研究了飛秒激光脈沖能量與制備出的微通道直徑的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)微

3、通道尺寸的精確控制。本文利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿結(jié)合電弧放電熔融技術(shù)在光纖末端制備出貫穿光纖纖芯、內(nèi)表面光滑的單微通道結(jié)構(gòu)。光纖中單微通道的兩個(gè)側(cè)壁與光纖末端端面形成了三個(gè)反射面，光纖內(nèi)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)三個(gè)反射面反射產(chǎn)生了三光束FP干涉。對(duì)該光纖中單微通道結(jié)構(gòu)的三光束干涉反射譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探測(cè)和理論模擬，理論和實(shí)驗(yàn)研究了該光纖中單微通道結(jié)構(gòu)的溫度傳感特性，溫度傳感靈敏度達(dá)到13 pm/oC，比傳統(tǒng)光纖中雙光束FP干涉結(jié)構(gòu)的溫度傳感靈敏度高出一個(gè)

4、量級(jí)。利用制備出的光纖中單微通道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高溫惡劣環(huán)境下的高靈敏度溫度傳感。
　　利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿在光纖中制備出復(fù)雜的級(jí)聯(lián)三微通道結(jié)構(gòu)和H型微通道結(jié)構(gòu)，分別研究了其液體折射率傳感特性和濕度傳感特性。首先，利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿在光纖中制備出級(jí)聯(lián)三微通道結(jié)構(gòu)，三條微通道均貫穿纖芯且彼此平行，使得纖芯中的一部分光能量散射到包層中，包層中的光信號(hào)與纖芯中的光信號(hào)形成干涉，在光纖透射譜中產(chǎn)生干涉峰。實(shí)驗(yàn)研究了該光纖微通道結(jié)構(gòu)的折射

5、率傳感特性，折射率傳感靈敏度達(dá)到了?2406.1 nm/RIU和?156.8 dB/RIU。利用制備出的光纖中級(jí)聯(lián)三微通道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)液體折射率的高靈敏度傳感。其次，利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿在光纖中制備出H型微通道結(jié)構(gòu)，H型微通道的兩個(gè)豎直通道貫穿光纖纖芯，水平通道與光纖纖芯重合。氣體和液體能夠進(jìn)入光纖中H型微通道，在水平通道內(nèi)與光纖中的光信號(hào)相互作用。實(shí)驗(yàn)研究了光纖中H型微通道結(jié)構(gòu)的空氣濕度傳感特性，靈敏度達(dá)到?1.0 dB/1％R

6、H。利用制備出的光纖中H型微通道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)空氣濕度的高靈敏度傳感。
　　利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿在光纖中制備出矩形微腔結(jié)構(gòu)，研究了其液體折射率傳感特性。光纖內(nèi)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖中微腔的兩個(gè)側(cè)面分別反射后能夠在光纖中形成FP干涉，本文針對(duì)FP干涉型光纖中微腔結(jié)構(gòu)的折射率傳感特性進(jìn)行了理論研究，分析了微腔形狀、腔長(zhǎng)、內(nèi)表面光滑程度對(duì)光纖中微腔結(jié)構(gòu)的折射率傳感靈敏度和探測(cè)精度的影響。根據(jù)理論研究和分析結(jié)果，利用飛秒激光誘導(dǎo)水擊穿結(jié)合電

7、弧放電熔融技術(shù)在光纖中制備出內(nèi)表面光滑的矩形微腔結(jié)構(gòu)，其反射譜呈現(xiàn)出高質(zhì)量的干涉峰。實(shí)驗(yàn)研究了該光纖中矩形微腔結(jié)構(gòu)的液體折射率傳感特性，折射率傳感靈敏度為1147.5 nm/RIU，探測(cè)精度達(dá)到1.29×10-4。利用制備出的光纖中矩形微腔結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)液體折射率的高靈敏度、高精度、低串?dāng)_傳感。
　　利用飛秒激光刻蝕結(jié)合光纖熔接法在光纖中制備出條型微腔結(jié)構(gòu)，研究了其拉力傳感特性。本文針對(duì)FP干涉型光纖中微腔結(jié)構(gòu)的拉力傳感特性進(jìn)行

8、了理論研究，利用 ANSYS軟件中的靜態(tài)力學(xué)分析對(duì)不同形狀的光纖中微腔結(jié)構(gòu)在拉力作用下的形變進(jìn)行了模擬，分析了微腔形狀和尺寸對(duì)光纖中微腔結(jié)構(gòu)拉力傳感靈敏度的影響，理論研究和分析結(jié)果表明腔長(zhǎng)較小的條型微腔結(jié)構(gòu)具有更高的拉力傳感靈敏度。利用飛秒激光刻蝕結(jié)合光纖熔接技術(shù)在光纖中制備出腔長(zhǎng)分別為18μm和15μm的條型微腔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)研究了這兩個(gè)光纖中條型微腔結(jié)構(gòu)的拉力傳感特性，拉力傳感靈敏度分別達(dá)到了22 pm/mN和26 pm/mN。利用制備