基于微納光纖模式耦合的高靈敏多參量傳感機理及實驗研究.pdf

1、微納光纖是直徑在微米或者納米量級的光纖波導，存在較強的倏逝場，對外界參量的變化十分敏感。與普通光纖傳感器件相比，基于微納光纖的傳感器具有高靈敏度、小尺寸、易與其他光波導器件耦合等特性，其在折射率、溫度、應力、聲波、電流、磁場和生化等方面的傳感應用近年來被廣泛地研究報道。
　　本論文在國家自然科學基金面上項目的資助下，針對材料固化成型過程監(jiān)測等領域中對超高靈敏、多參量傳感探測的發(fā)展需求，重點研究了基于兩種微納光纖結(jié)構(gòu)即D型微納光纖和

2、多模微米光纖的模式耦合理論和靈敏度增強機理，及折射率/溫度雙參量探測機理，完成了相應的理論和實驗研究。論文的主要內(nèi)容包括：
　?。?）系統(tǒng)地介紹了 D型微納光纖的制備工藝，利用商業(yè)光學軟件 COMSOL Multiphysics分析了D型微納光纖的光場分布、雙折射系數(shù)、倏逝場比例和折射率、溫度靈敏度；利用D型微納光纖的強倏逝場優(yōu)勢，結(jié)合Sagnac偏振干涉裝置，實現(xiàn)了超高靈敏度折射率和溫度傳感。
　?。?）從二維光波導模式的

3、本征方程出發(fā)，仿真分析多模微米光纖的模式有效折射率、光場分布和倏逝場比例，論證了基于多模微米光纖模間干涉和強倏逝場的折射率靈敏度增強機理。首次發(fā)現(xiàn)多模微米光纖折射率靈敏度的轉(zhuǎn)折點，在轉(zhuǎn)折點處折射率靈敏度可以達到??，對于實現(xiàn)超高靈敏折射率傳感具有重要的指導意義。進一步通過實驗驗證了理論的正確性，且在直徑4.6μm的光纖上獲得了高達10777.8 nm/RIU的折射率靈敏度。
　?。?）針對多參量傳感需求，提出了基于多模微米光纖的雙

4、臂馬赫-澤德干涉（MZI）傳感結(jié)構(gòu)。通過將多模光纖引入到雙臂MZI裝置的傳感臂中，同時結(jié)合多模微米光纖的模間干涉以及雙臂之間的雙光束干涉，實現(xiàn)基于單個MZI裝置的折射率/溫度的雙參量同時傳感。此外，對兩組干涉疊加產(chǎn)生的干涉光譜采用高斯擬合，準確提取干涉諧振波長。通過追蹤分析光譜包絡波谷波長和密集干涉譜波谷波長的漂移，獲得了折射率靈敏度2576.584 nm/RIU和1001.864 nm/RIU，以及溫度靈敏度-0.193 nm/℃和0

5、.239 nm/℃的實驗結(jié)果，為目前雙參量傳感研究中報道的靈敏度指標最高值。
　　（4）為了進一步減小傳感單元的尺寸，提出了基于in-line（線內(nèi)）多模微米光纖的雙MZI結(jié)構(gòu)。通過多模-單模-多模微米復合光纖結(jié)構(gòu)同時獲得單模光纖的芯包模式干涉以及多模微米光纖的模間干涉，從而利用單根光纖結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)折射率/溫度的雙參量測量。該傳感結(jié)構(gòu)是單線結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊等特點；同時兩個模式干涉均是in-line干涉，之間相互獨立無串

6、擾，能有效避免震動和空氣擾動的影響，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過追蹤光譜諧振波長的漂移，實驗獲得了折射率靈敏度-23.672 nm/RIU和3820.230 nm/RIU，以及溫度靈敏度81.2 pm/℃和-465.7 pm/℃的技術指標，可以實現(xiàn)高精度的雙參量測量。
　?。?）為了適應傳感網(wǎng)的接入需求，提出了基于多模微米光纖菲涅爾反射的傳感結(jié)構(gòu)。通過切平多模微米光纖尾纖端面，將多模微米光纖模間干涉和光纖端面菲涅爾反射強度調(diào)制相結(jié)合。利