空芯带隙型光子晶体光纤的传感特性研究

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1、分类号：TP271单位代码：10183研究生学号：2015512010密级：公开空芯带隙型光子晶体光吉林大学纤的传硕士学位论文感特性（学术学位）研究空芯带隙型光子晶体光纤的传感特性研究党ResearchonSensingCharacteristicsofHollowBandGapPhotonicCrystal佩佩Fibers作者姓名：党佩佩吉专业：电路与系统林大研究方向：光电检测及其应用学指导教师：郑传涛副教授培养单位：电子科学与工程学院2018年4月－――――――――――――――――――――――――――――――――空芯带隙型光子晶体光纤的

2、传感特性研究－――――――――――――――――――――――――――――――――ResearchonSensingCharacteristicsofHollowBandGapPhotonicCrystalFibers作者姓名：党佩佩专业名称：电路与系统指导教师：郑传涛副教授学位类别：学术硕士答辩日期：2018年5月25日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权

3、的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕

4、士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：■硕士□博士学科专业：电路与系统论文题目：空芯带隙型光子晶体光纤的传感特性研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林省长春市前进大街2699号（130012）作者联系电话：空芯带隙型光子晶体光纤的传感特性研究摘要本题目来源于国家自然科学基金仪器专项，新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究，项目编号：61627823。气体、液体、生物化学等传感器被

5、广泛应用于环境保护、安全生产以及国防航天等领域。与电化学材料相比，光纤具有抗电磁干扰的特性，具有传输损耗小、耐腐蚀性强等优点，可以应用到高温高压、大型机电、易燃易爆等危险环境，空芯带隙型光子晶体光纤结构独特，能作为传感单元为光与气体，液体等物质反应提供理想的场所，因此在气体传感、液体传感、生物化学传感等领域受到广泛的关注。本论文研究和设计了基于空芯带隙型光子晶体光纤的传感器，研究内容主要分为以下四个部分：1.介绍了几种光子晶体光纤常用的数值计算方法及其各自的优缺点，着重分析了矢量有限元法，介绍了矢量有限元法的计算步骤，推导了计算公式。2.设

6、计了基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体传感器。利用COMSOL软件模拟仿真了传感器的灵敏度、有效折射率等参数；计算分析了光纤的谐振波长与有效折射率实部之间的关系；最后计算了金属膜的厚度、石墨烯膜的厚度、纤芯空气孔的尺寸以及被测物折射率的变化对光子晶体光纤传感特性的影响。3.设计了基于红外吸收光谱原理的空芯光子晶体光纤气体传感系统，该系统包括光源、光路和后端信号检测电路三个部分。选择分布反馈激光器作为光源，采用实验室自主研发的温控和电流驱动器驱动激光器；光路由全光纤组成，考虑到空芯光子晶体光纤与单模光纤的模场直径不匹配，利用准直镜和聚焦镜

7、实现二者的耦合，将气室与电路分隔开，为气体的测量提供了安全保障；设计了电流转电压电路和放大电路用于检测后端信号。使用锁相放大器、NI数据采集卡和基于LABVIEW的信息采集平台进行信号处理，提取二次谐波信号来表征气体浓度。4.进行甲烷气体浓度测量实验，提取二次谐波表征气体浓度，结果显示该检测系统具有良好的线性度和稳定性。通过分析传感器的Allan方差变化，结果显I示，在1秒的平均时间内，最小检测下限约为4.7ppm。当积分时间增加到83秒时，最小检测下限降低到0.632ppm。本论文的创新点:1.设计了基于表面等离子体共振的光子晶体光纤液体

8、传感器。在分析物通道内侧涂上金层以作为等离子体激元材料来精确检测分析物，并在金层外侧涂上薄的石墨烯层以防止氧化。使用有限元法（FEM）进行光纤性能和传感性能的数值研究，通过研究光