基于微納光纖環(huán)形腔的海水鹽度傳感研究.pdf

1、光學(xué)器件的微型化是其發(fā)展趨勢(shì)之一,對(duì)于典型的傳輸波導(dǎo)光纖而言,也同樣進(jìn)入到微納的尺度。微納光纖區(qū)別于傳統(tǒng)光纖的最主要特點(diǎn)是具有倏逝場(chǎng)效應(yīng)。傳統(tǒng)光纖中光在光纖纖芯內(nèi)依靠全反射傳輸,而微納光纖中有很大一部分光能量在光纖外圍傳輸。微納光纖倏逝場(chǎng)的存在使得光纖對(duì)周?chē)h(huán)境的變化非常敏感。此外微納光纖制備簡(jiǎn)單、成本低、易集成等優(yōu)點(diǎn)使其成為傳感的理想材料。微納光纖環(huán)形腔是基于微納光纖的重要傳感元件之一,本文利用微納光纖環(huán)形腔來(lái)進(jìn)行海水鹽度測(cè)量,將微納

2、光學(xué)與海洋探測(cè)聯(lián)系起來(lái),為海水鹽度的測(cè)量提供一種新穎的方法。論文的主要研究工作如下:
　　第一部分分析了海水環(huán)境中微納光纖的傳輸特性,求得了其傳輸常數(shù)和模場(chǎng)能量分布,進(jìn)而研究了海水中微納光纖環(huán)形腔的特性。由于海水對(duì)光有吸收作用,研究了包含吸收損耗在內(nèi)的 Q參數(shù)與光纖環(huán)、光纖直徑、探測(cè)波長(zhǎng)的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著微納光纖直徑和環(huán)直徑增大,相應(yīng)的 Q參數(shù)變大;隨著探測(cè)波長(zhǎng)的增大,Q有減小的趨勢(shì)。
　　第二部分提出了海水中溫度不敏感

3、的環(huán)形腔鹽度傳感器。首先,建立了嵌入式鍍膜的環(huán)形腔鹽度傳感器結(jié)構(gòu)模型,研究了其溫度不敏感的條件。微納光纖直徑的大小影響著傳感器各部分的熱效應(yīng)貢獻(xiàn)比例,當(dāng)選擇合適的光纖直徑時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的熱效應(yīng)為零,此時(shí)即實(shí)現(xiàn)了溫度不敏感性。其中重點(diǎn)考慮到海水的熱效應(yīng),選擇 MgF2作為嵌入式材料來(lái)使傳感器得到更好的性能。在實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度不敏感特性之后,從靈敏度和探測(cè)極限兩方面討論了傳感器的性能。結(jié)果表明,靈敏度隨鍍膜厚度和微納光纖直徑的增大而減小,隨

4、探測(cè)波長(zhǎng)的增大而增大。探測(cè)極限隨鍍膜厚度的增大而增大。其次,為了研究鍍膜材料對(duì)環(huán)形腔傳感器的影響,又分析了裸微納光纖環(huán)形腔和嵌入在 Teflon中的環(huán)形腔傳感器。對(duì)這三種傳感器的溫度特性及性能做了比較。在靈敏度方面裸微納光纖環(huán)形腔傳感器和鍍膜材料為 MgF2的環(huán)形腔傳感器相差無(wú)幾?？紤]到應(yīng)用方面,選擇鍍膜的結(jié)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)形腔進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)優(yōu)化傳感器參數(shù),對(duì)于鍍膜材料為 MgF2的環(huán)形腔傳感器,當(dāng)波長(zhǎng)為900nm,微納光纖半徑為400nm,

5、環(huán)直徑為2000μm時(shí),傳感器鹽度靈敏度可以達(dá)到0.02nm/‰,鹽度探測(cè)極限可達(dá)到0.18‰。最后,為了研究鍍膜方式對(duì)環(huán)形腔傳感器的影響,對(duì)圓柱型鍍膜的環(huán)形腔傳感器進(jìn)行了分析。與嵌入式鍍膜環(huán)形腔傳感器相比,在靈敏度和探測(cè)極限發(fā)面都有所改善。其最高靈敏度可達(dá)0.03nm/‰,最小探測(cè)極限為0.13‰。
　　第三部分對(duì)微納光纖環(huán)形腔的鹽度傳感進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分別得到了裸微納光纖環(huán)形腔傳感器和有棒支撐的環(huán)形腔傳感器