基于表面功能化的锥形微光纤传感器件研究

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1、中图分类号：TN253论文编号：153115317学科分类号：140.3060密级：天津理工大学研究生学位论文基于表面功能化的锥形微光纤传感器件研究（申请硕士学位）一级学科：光学工程工程领域：光学工程研究方向：光纤光子学作者姓名：马泽龙指导教师：苗银萍教授2018年2月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeResearchonConicalMicroFiberSensorBasedonFunctionalFiberSurface

2、ByZelongMaSupervisorProf.YinpingMiaoFebruary2018摘要随着物联网在社会生活中的广泛应用，工业生产对信息的高速传输及实时处理的依赖越来越严重。在实际社会生活中，人们对于新型的光电子器件也提出了更高的要求。高集成、高性能的光纤光子器件成为光电子领域中的新宠。其中锥形微光纤为基本结构单元的光纤光子器件在众多领域具有巨大的应用潜力，国内外学者对其积极开展相关的研究工作。借助锥形微光纤的强倏逝场特性，将其作为基本的传感单元通过其强倏逝场与周围环境的相互作用，实现了对外界环境参量的检测。

3、相对于普通光纤传感器，该器件具有的优势是结构紧凑、响应快速、灵敏度高。本文传感结构利用电弧放电和熔融拉锥等不同的制备方法来制备。通过纳米功能材料提升了传感结构的传感特性，扩展了其应用范围，实现了对磁场和湿度的测量。本文具体研究了新型功能材料对光谱传输的影响，通过数值模拟进行理论分析并通过实验进行论证。主要研究内容包括：（1）采用氢氧焰熔融法。通过控制拉锥机氢氧焰的大小、火头摆动频率和火焰持续时间等参数，制备了不同参数的锥形微光纤。光纤对光的束缚能力随光纤直径的减小而减弱，束缚在纤芯中的光能量泄露到包层当中，从而形成倏逝波

4、。光纤的光束缚能力越弱，倏逝场的能量就越强，对外界变化的反馈也更为灵敏。（2）设计了一种基于少模S形微光纤的磁场和折射率传感器件。电弧放电使少模光纤的直径发生突变。由于光纤轴向结构的改变，光传输的轴向不对称激发了高阶包层模式，形成了基于包层模式和纤芯模式相互干涉的传感器件。（3）提出了一种基于不对称锥型微光纤的复合式磁场传感器。对光纤中传输的模式进行了数值计算，确定出参与干涉的模式阶数，并在理论上研究了模式传输特性。实验上将其与纳米磁流体相结合，利用其倏逝场效应，通过干涉峰随外界磁场变化时的波长漂移，实现了对磁场的高灵敏

5、度检测，灵敏度达302pm/Oe。（4）将单层MoS2直接包裹在单模S锥微光纤表面，制备出空气相对湿度传感器。通过数值计算，分析了微结构光纤的模式耦合特性。分析了相对湿度传感器的干涉峰波长以及振幅随湿度变化情况。实验结果表明，可实现了高灵敏的湿度检测，该复合结构的湿度灵敏度达-0.148dB/RH。关键词：微光纤纳米功能材料折射率传感湿度传感磁场传感二硫化钼AbstractWiththewideapplicationofInternetofThingsinsociallife,industrialproductionre

6、liesmoreandmoreonthehigh-speedtransmissionofinformationandonreal-timeprocessing.Inthesociallife,peoplehaveputforwardhigherrequirementsforthenewoptoelectronicdevices.Highintegratedandperformanceopticalfiberphotonicdeviceshavebecomeanewfavoriteinthefieldofoptoelect

7、ronics.Amongthem,theopticalfiberphotonicdevicesbasedontaperedopticalfiberhaveattractedunprecedentedattentionasthebasicstructuralunitandhavegreatpotentialapplicationsinmanyfields.Researchathomeandabroadactivelycarryoutrelatedresearchwork.Thestrongevanescentfieldis

8、aroundtheconicalmicroopticalfiber,usingitasabasicsensingunitandinteractswiththesurroundingenvironment,andrealizesthesensorfordetectingtheexternalenvironmentalp