光纤光栅折射率传感技术研究.pdf

浙江大学
博士学位论文
光纤光栅折射率传感技术研究
姓名:丁金妃
申请学位级别:博士
专业:光学工程
指导教师:何赛灵;张阿平
20060401
要摘首先用耦合模理论和传输矩阵法分析了桶糋的光学特性,然后介绍了光理论分析并实验观察了包层腐蚀时的光谱演变过程,实验比较了不同腐蚀程度的光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、适应恶劣环境、便于波分复用、易于构成多点传感网络等优点,已经广泛用于民用工程结构、航空航天等领域的应力、应变和温度传感。此外,光纤光栅,尤其是长周期光纤光栅还对外界折射率的变化很敏感。由于折射率传感在生化应用方面的重要性,如环境监测、医学诊断、石油化工等方面,所以基于折射率传感的光纤光栅生化探测技术正处于不断深入的研究之中。在光纤光栅生化传感中,灵敏度以及温度交叉敏感是其中存在的两个主要问题。本文以提高折射率传感的灵敏度和解决折射率传感中的温度交叉敏感问题为目标,分别用光纤布拉格光栅⒊ぶ芷诠庀斯庹、以及钩傻腗—缮嬉实现了折射率的传感,主要完成了以下方面的研究工作并取得了若干创新性的成果:纤的光敏性,归纳比较了光纤光栅的各种制作技术。在课题期间,合作研制了光纤高压载氢系统,并参与搭建了一套光纤光栅制作系统,为整个研究工作提供了良好的实验平台。研究了凵渎蚀ǜ屑际酢@砺鄯治隽斯庀税阒本都跣∈盉波长的变化,以及不同包层直径下光纤的导模有效折射率随外界折射率变化的关系;设计了腐蚀和测量的实验装置,制定了母垂ひ眨圆煌闯潭鹊腇进行了折射率测量的实验,结果表明腐蚀程度深的酝饨缯凵渎示哂懈叩牧槊舳取鸟詈咸匦跃龆怂旧矶酝饨缯凵渎拭舾校ü愀吹姆椒ǹ山徊提高传感灵敏度。理论分析了光纤包层直径减小对墓舱癫ǔひ约巴饨缯凵渎什量灵敏度的影响,并对两组直鸾辛瞬煌潭鹊母春驼凵渎什饬康氖笛椋果表明腐蚀后的酝饨缯凵渎实牧槊舳鹊玫搅颂岣撸⑶沂状蔚贸鋈缦陆崧郏核着腐蚀程度加深,在某波长附近耦合的包层模的阶数虽然减小了,但是利用此包层模对外界折射率传感的灵敏度仍然得到了提高。两个透射率的钩闪薒马赫一泽德干涉仪,这种特殊的祸合机制使得它对外界折射率敏感,而且相比单个哂懈傅母缮嫣跷疲梢蕴岣卟ǔぜ测的分辨率。我们在砗眨蟮赂缮嬉堑幕∩希岢隽怂酝饨缯凵渎蚀ǜ械牧敏度提高的两种方案:包层腐蚀的砗找辉蟮赂缮嬉牵喊阒本兜募跣∈沟冒层模式的光波场有更多的部分分布在外围介质中,从而能提高对外界折射率的灵敏度,浙江大学博士学位论文.
率腽度的同时测量。这种夹层结构的长周期光纤光栅方案具有结构平衡、制作简单、模在外围介质中的倏逝波增强,从而提高对外界折射率传感的灵敏度。实验结果表明中双锥砗泽德干涉仪肚马赫一泽德干涉仪对外界折射率测量的灵敏度,结果表明虽然随着腐蚀程度的增大,在附近的干涉峰对应耦合的包层模阶数减小,但是用该干涉峰作为对外界折射率传感的灵敏度仍然得到了很大的提高。ü洞硪胍欢嗡豆庀耍沟冒光纤锥可以很有效地提高灵敏度,而且灵敏度大小可以通过控制拉锥程度来定制,其,锥腰直径为.Ⅳ的灵敏度是未拉锥的砗眨蟮赂缮嬉堑倍。最后,针对光纤光栅折射率传感中的温度交叉敏感问题,提出了一种夹层结构的长周期光纤光栅方案。所谓夹层结构,是指由三个槌桑礁鲆的钩蚆—缮嬉牵玫徒装隳5鸟詈献魑N露炔慰嫉ピ#谥屑浼杏幸桓隼用高阶包层模耦合的魑M饨缯凵渎什饬康ピ!@肔的不同阶数包层模对外界折射率变化响应的灵敏度不同,而对温度变化的灵敏度差异很小的特性,进行折射实用性强等优点。关键词:光纤传感器,光纤光栅,畓干涉仪,折射率测量,生化传感,腐蚀,光纤拉锥,灵敏度,温度交叉敏感浙江大学博士学位论文一.
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§光纤光栅的分类及其在传感领域的应用根光纤光栅,以及年美、实时连续检测生化反应或物理变化,但是与排除了各种光强起伏引起的干扰,因此具有更强的抗干扰能力。由于光纤光栅设计及基于折射率变化测量的光纤光栅生化传感技术可以广泛应用于以下领域:①在环境保护方面,通过折射率的测量可以监控水中亚硝酸盐浓度、铬离子浓度等嘲,可为公共健康和生态影响等提供资料。②在医疗保健方面,可用于血糖浓度,值的测量,生物体中酶、抗原、抗体、壬锪康募觳夥治觯虎墼谑称贩矫妫庹馗髦中如何提高测量灵敏度的问题和普遍存在的温度交叉敏感问