基于纳米薄膜的模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感器研究

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1、基于纳米薄膜的模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感器研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：周浪指导教师：杨建春专业：光学工程学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一六年四月PhotonicCrystalFiberMethaneSensorwithNano-filmBasedonModeInterferenceAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEng

2、ineeringByZhouLangSupervisedbyYangJianchunSpecialty:OpticalEngineeringCollegeofOpto-electronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2016中文摘要摘要随着光纤传感技术的快速发展，光纤气体传感器的研究受到广泛重视。甲烷是矿井瓦斯主要成分，在空气中极易发生爆炸，被视为煤矿事故的“头号杀手”，故监测其浓度意义重大。光子晶体光纤具有不同于传统光纤的

3、传输特性，从而使其在传感方面具有很好的应用，而它在结构上的多孔特点，又使其在气体传感方面具有特殊的应用。论文提出一种基于模间干涉的光子晶体光纤（PCF）甲烷传感方法，采用模间干涉原理分析甲烷传感器的导光机理，并通过有限元法仿真分析PCF甲烷传感过程；研究敏感薄膜折射率对甲烷的响应特性；利用光纤偏移熔接、毛细浸涂法制作PCF甲烷敏感薄膜传感器；建立甲烷传感实验系统，评价传感器性能。主要内容包括：①基于模间干涉原理，理论分析敏感薄膜折射率、厚度和作用长度对PCF反射干涉谱特征波长的影响。采用有限元法分析纤芯

4、基模和包层模电场分布、纤芯基模和包层模有效折射率，模间有效折射率差（PCF特征波长）随纳米薄膜折射率、厚度和作用长度的变化规律。仿真结果表明，随着敏感膜厚度从100nm增加至300nm和薄膜折射率从1.455减少至1.410时，模间有效折射率差呈缓慢下降趋势，干涉谱特征波长向短波方向移动。②以CryptophaneA/紫外光固化氟硅氧烷纳米薄膜为对象，研究甲烷浓度对薄膜折射率影响；在线测量结果表明敏感薄膜折射率随甲烷浓度增加而线性减小，相关系数0.996。通过优化光纤熔接参数、PCF塌缩长度、薄膜涂覆工

5、艺，配制敏感膜涂覆溶液，并采用光纤偏移熔接、毛细浸涂技术制作PCF甲烷敏感薄膜传感器，表明光子晶体光纤最佳塌缩长度约240μm。③在0%～3.5%甲烷浓度范围里，实验研究不同敏感薄膜厚度、PCF作用长度对干涉谱特征波长影响，表明随着甲烷浓度增加，敏感膜折射率减小，从而引起干涉谱特征波长向短波方向移动。在薄膜厚度110nm至290nm范围内，240nm厚度的传感器表现出良好的线性关系，相关系数0.994。同时，研究非甲烷类气体硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）、氧气（O2）和氮气（N2）对传感器影响，表

6、明传感器具有良好的选择性。关键词：光子晶体光纤，甲烷传感器，敏感薄膜折射率，有限元法，模间干涉I英文摘要ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofopticalfibersensingtechnology,opticalfibergassensorshaveattractedwidelyattention.Methaneisthemaincomponentofminegas,whichcaneasilyexplodeintheairandisregardedasthe"thele

7、adingkiller"incoalmineaccidents.Thus,monitoringofthemethaneconcentrationisofgreatsignificance.Owingtotheporousstructureanduniquetransmissioncharacteristics,thesensorbasedonphotoniccrystalfiberisparticularlysuitableforgassensingfield.Inthispaper,aphotonic

8、crystalfiber（PCF）methanesensingmethodbasedonmodalinterferenceispresented.Thelightguidemechanismisanalyzedbyusingmodalinterferenceprinciple.Withthefiniteelementmethod,themethanesensingprocessissimulated,andeffectofmethaneco