基于微纳光纤倏逝场高灵敏传感理论与应用研究

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringInvestigationonTheoriesandApplicationsofHighSensitiveFiberOpticalSensingbasedontheEvanescentFieldofMicro/nanofiberCandidate:LiangRuibingMajor:OpticalEngineeringSupervisor:AssociateProf.SunQizhe

2、nHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJanuary,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或

3、机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要微纳光纤在实现传统光波导功能外，具有小尺寸、低光学损耗、强光场约束、倏逝场传输、大波导色散、机械强度高且柔韧性强等特性，适用于各种功能化、微型化、高性能的光子学器件。微纳光纤倏逝场增强的光学特性使其与周围环境产生紧密的相互作

4、用，可实现结构紧凑的高灵敏光学传感器。本论文主要针对复合材料固化成型过程中对材料折射率、温度等参数的高精度监测需求，以微纳光纤为对象，研究基于微纳光纤波导倏逝波及纳米尺度微结构的高灵敏光纤传感器。首先建立了微纳光纤波导的数学模型，用数值计算方法分析讨论了微纳光波导的倏逝场增强机理。在工艺制备方面，搭建了微纳光纤的制备平台和微操作测试平台，采用氢氧焰加热拉伸法成功制备了具有良好直径均匀度和较低传输损耗的微纳光纤。提出了基于单根微米光纤倏逝场的传感器，包括单根微米光纤强度调制的折射率传感器，基于微米光纤马赫-曾德干涉结构的相位调制型折射率传感器和温度传感器，以及基于微

5、米光纤截止波长的折射率传感器，实现了高灵敏度的温度和折射率传感实验。提出了基于微纳光纤布拉格光栅的微结构传感器。使用OptiGrating软件对微纳光纤布拉格光栅的折射率传感特性和温度传感特性进行了模拟仿真分析。采用高热光系数折射率匹配液作为传感载体，提出了基于微纳光纤布拉格光栅的温度增敏传感机理。最后，提出了FBG-MNF-FBG串联和双Sagnac环形镜两种微型珐布里-珀罗干涉仪结构，分析讨论了两种MFPI结构的光学特性和传感特性，研究了两种MFPI结构的制备工艺，并将MFPI作为反射滤波器件在实验上实现了基于FBG-MNF-FBG型MFPI双波长光纤激光器和

6、结合激光拍频检测技术的折射率传感，折射率传感灵敏度可以达到856MHz/RIU。关键词：微纳光纤微纳光纤布拉格光栅马赫-曾德干涉仪珐布里-珀罗干涉仪光纤激光器折射率传感温度传感I华中科技大学硕士学位论文AbstractMicro/nanofibers(MNF)featuredwithsmallsize,lowopticalloss,tightopticalconfinement,highfractionofevanescentfields,largewaveguidedispersion,andhighmechanicalstrengthandflexibilit

7、y,aresuitableforvarietyoffunctional,miniaturization,andhighperformancephotonicdevices.Theopticalpropertyofhighfractionalevanescentfields,allowingstrongevanescentwavecouplingbetweenMNFandambientenvironment,makestheMNFsapplicabletocompactandhighsensitiveopticalsensors.Inthisthesis,wefoc

8、usoni