基于微纳光纤环形腔的海水盐度传感研究

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1、谨以此论文献给我的父母和老师------李国祥I万方数据II万方数据基于微纳光纤环形腔的海水盐度传感研究学位论文答辩日期：指导教师签字：答辩委员会成员签字：III万方数据IV万方数据独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得（注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学

2、位论文作者签名：签字日期：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，并同意以下事项：1、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。2、学校可以将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、汇编学位论文。同时授权清华大学“中国学术期刊(光盘版)电子杂志社”用于出版和编入C

3、NKI《中国知识资源总库》，授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签字：签字日期：年月日签字日期：年月日V万方数据VI万方数据基于微纳光纤环形腔的海水盐度传感研究摘要光学器件的微型化是其发展趋势之一，对于典型的传输波导光纤而言，也同样进入到微纳的尺度。微纳光纤区别于传统光纤的最主要特点是具有倏逝场效应。传统光纤中光在光纤纤芯内依靠全反射传输，而微纳光纤中有很大一部分光能量在光纤外围传输。微纳光纤倏逝场的存在使得光纤对周围环境的变化非常

4、敏感。此外微纳光纤制备简单、成本低、易集成等优点使其成为传感的理想材料。微纳光纤环形腔是基于微纳光纤的重要传感元件之一，本文利用微纳光纤环形腔来进行海水盐度测量，将微纳光学与海洋探测联系起来，为海水盐度的测量提供一种新颖的方法。论文的主要研究工作如下:第一部分分析了海水环境中微纳光纤的传输特性，求得了其传输常数和模场能量分布，进而研究了海水中微纳光纤环形腔的特性。由于海水对光有吸收作用，研究了包含吸收损耗在内的Q参数与光纤环、光纤直径、探测波长的关系。结果表明：随着微纳光纤直径和环直径增大，相应的Q参数变大；随着探测波长的增大

5、，Q有减小的趋势。第二部分提出了海水中温度不敏感的环形腔盐度传感器。首先，建立了嵌入式镀膜的环形腔盐度传感器结构模型，研究了其温度不敏感的条件。微纳光纤直径的大小影响着传感器各部分的热效应贡献比例，当选择合适的光纤直径时，整个系统的热效应为零，此时即实现了温度不敏感性。其中重点考虑到海水的热效应，选择MgF2作为嵌入式材料来使传感器得到更好的性能。在实现了传感器的温度不敏感特性之后，从灵敏度和探测极限两方面讨论了传感器的性能。结果表明，灵敏度随镀膜厚度和微纳光纤直径的增大而减小，随探测波长的增大而增大。探测极限随镀膜厚度的增大

6、而增大。其次，为了研究镀膜材料对环形腔传感器的影响，又分析了裸微纳光纤环形腔和嵌入在Teflon中的环形腔传感器。对这三种传感器的温度特性及性能做了比较。在灵敏度方面裸微纳光纤环形腔传感器和镀膜材料为MgF2的环形腔传感器相差无几。考虑到应用方面，选择镀膜的结构能够对环形腔进行保护。通过优化传感器参数，对于镀膜材料为MgF2的环形腔传感器，当波长为900nm，微纳光纤半径为400nm，环直径为2000μm时，传感器VII万方数据盐度灵敏度可以达到0.02nm/‰，盐度探测极限可达到0.18‰。最后，为了研究镀膜方式对环形腔传感

7、器的影响，对圆柱型镀膜的环形腔传感器进行了分析。与嵌入式镀膜环形腔传感器相比，在灵敏度和探测极限发面都有所改善。其最高灵敏度可达0.03nm/‰，最小探测极限为0.13‰。第三部分对微纳光纤环形腔的盐度传感进行了初步实验研究。搭建了实验系统，分别得到了裸微纳光纤环形腔传感器和有棒支撑的环形腔传感器的盐度灵敏度。结果显示利用微纳光纤环形腔来进行盐度传感测量是非常有效的。关键词：微纳光纤；微型环形腔；温度不敏感性；海水盐度；传感器VIII万方数据TheStudyofSeawaterSalinitySensorBasedonMicr

8、ofiberRingResonatorAbstractOneofthedevelopmenttrendsofthephotoniccomponentsisminiaturization,soastothetypicaltransmissionwaveguidefiber.On