基于空芯光子晶体光纤的有源内腔气体传感及网络研究

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1、基于空芯光子晶体光纤的有源内腔气体传感及网络研究ResearchonIntra-cavityGasSensorbasedonHC-PCFanditsNetwork学科专业：光电子技术研究生：赵志强指导教师：陆颖教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月摘要对甲烷、乙炔、硫化氢、氨气等有害气体的检测在现代化工业和环境保护中有着重要的意义。光纤型气体传感设备和方案因其多种显著的优良特性，例如抗电磁干扰能力强、基于光通信技术、体积小、易于组网、可实现自动化检测等，而成为了现今国内外传感技术领域

2、的重要研究对象。目前，研究人员对光纤单点探测气体传感器的研究已经取得了不少成果，如何将光纤单点探测气体传感器拓展成为能够实现多点探测的气体传感网络成为了比较热门的研究方向之一。本文主要对空芯光子晶体光纤(HC-PCF)有源内腔气体传感及其组网技术进行了理论和实验研究，主要工作和创新性包括以下几个方面：1）将HC-PCF作为气室引入到了掺铒光纤环形激光器腔内，设计了一种新型的有源内腔气体传感器。利用掺铒光纤激光器输出特性以及Beer-Lambert定律，数值模拟了其传感特性，分析了乙炔气体浓度、耦合

3、比、泵浦功率和输出功率之间的关系，并且模拟了不同乙炔浓度下的吸收光谱，结果表明该传感系统适用于乙炔气体传感，且具有较高传感灵敏度。2）搭建了掺铒光纤激光器有源内腔气体传感系统，使用NIPXIe-4139电压系统平台对可调谐滤波器电压进行精准控制，实现了乙炔气体高灵敏度探测。实验结果与数值模拟一致。实验获得最小可探测乙炔浓度为5.4ppmv。3）采用空芯光子晶体光纤和密集波分复用器，搭建了多点探测气体传感网络，实现了对乙炔气体浓度的三点探测。与使用光纤布拉格光栅的气体传感网络相比，密集波分复用器更容

4、易实现稳定的输出。实验获得波长在1536.71nm处，灵敏度高于100ppmv。进一步运用电压梯度法对该内腔传感网络进行优化，其探测效率可提高5.5倍。关键词：空芯光子晶体光纤有源内腔气体探测密集波分复用器传感网络ABSTRACTMonitoringpollutantandharmfulgasessuchasmethane,acetylene,hydrogensulfide,ammoniaisquiteimportantinmodernindustrialproductionandenvironm

5、entalprotection.Thedevicesandmethodsofopticalfibergassensorhavelotsofoutstandingcharacteristicssuchasstrongimmunitytoelectromagneticinterference,basedonopticalcommunicationtechnology,smallinsize,easynetworkorganization,automaticdetection,etc,whichmake

6、sitasignificantresearchsubjectathomeandabroadnowadays.Sofar,thefieldofopticalfibergassensorhasmadealotofachievements.Andhowtobuildupmultiplexedgassensornetworkusingopticalfibergassensorhasbecomeahotfieldofresearchdirections.Thispaperismainlyabouttheth

7、emeofintra-cavitygassensorbasedonhollow-corephotoniccrystalfiber(HC-PCF)anditsnetworkingtechnology.Themainresearchworkandmajorinnovationsareasbelow:1）Wehavedesignedanewerbium-dopedfiberringlaser(EDFRL)intra-cavitysensor.HC-PCFusedasthegasabsorptioncha

8、mberisintroducedintothelasercavity.WecombinethetheoryofoutputpowerofEDFRLandtheBeer-Lambertlaw.AbsorptionpeaksofacetyleneandsomeotherdataaregotfromtheHitrandatabase.Wehavetheoreticallyinvestigatedtherelationshipofsomesignificantsystemparameter