论文部分内容阅读
光纤微腔是在光纤内部植入一个微型腔体。光纤微腔基于法布里珀罗(Fabry-Perot,简称FP)干涉,实现干涉光谱的相位调制,故能够对折射率、温度、应变、湿度、电磁场等参数进行直接测量。由于光纤微腔具有制备方法简单、制备成本低廉、传感特性优良以及具有单探头式结构的优点,因此光纤微腔传感器不仅具有较高的研究价值,更具有广阔的应用前景。但是,传统的光纤微腔结构比较单一,应用领域有限,因此需要对基本的光纤微腔结构进行改进,以满足不同场合下的测量需要。而且,虽然目前光纤微腔的基本理论比较成熟,但是随着设计多元化,传统的理论和仿真都需要与时俱进。针对以上问题,本文主要完成了以下六个部分的工作:(1)在第1章中,首先归纳了光纤微腔常用的几种制备方法,并指明本文重点研究光纤熔接法和聚合物复合法。然后总结了光纤微腔的应用场合和发展现状,并指明本文重点针对应变和温度传感技术开展的研究工作。本章为课题的进一步开展提供背景支持,为光纤微腔结构的下一步优化设计提供参考和借鉴。(2)在第2章中,首先阐述了光纤微腔的平行平板多光束干涉理论,接着对光纤微腔双光束理论的适用性范围进行说明,并且推导了基于双光束干涉原理的光纤微腔的温度和应变传感机理。然后,对有限时域差分思想和基于RSOFT的光纤微腔光学仿真设计进行详细阐述,对有限元思想和基于COMSOL的光纤微腔热力学仿真做出详细阐述。最后,基于RSOFT和COMSOL的联用实现了沙漏型光纤微腔结构一体化优化设计。(3)在第3章中,基于石英毛细管和单模光纤的熔接法实现了全光纤矩形微腔轴向应变传感器的制作。并且分析和比较了腔长分别为35μm、55μm、75μm的矩形微腔的光谱特性和应变灵敏度。光纤矩形微腔是最基本、最简单的光纤微腔结构,且具有温度交叉不敏感特性,是复杂光纤微腔结构设计的基础。(4)在第4章中,提出了一款全光纤微腔曲率及折射率同时测量传感器。该结构在矩形微腔入射光侧拉制光纤锥以实现弯曲测量,在出射光侧切割单模光纤制备出第三个反射端面以实现折射率测量。仿真和实验表明,解调干涉光谱的上包络线可以实现曲率测量,下包络线可以实现折射率测量,并且继承了矩形微腔温度交叉不敏感的特性。(5)在第5章中,设计了一款活塞式光纤微腔传感器,该结构将两段单模光纤嵌套进大直径毛细玻璃管后,用温度敏感材料进行封装。实验上比较了腔长为50±0.5μm和100±0.5μm的基于UV胶封装的活塞式光纤微腔的光谱特性和温度灵敏度,对该结构的传感规律进行了系统性分析。本章采用硅橡胶对UV胶材料进行改性,将活塞式光纤微腔传感器的温度灵敏度提高到6nm/℃以上。(6)在第6章中,设计了一款光纤液态硅油微腔温度传感器,该结构的总体尺寸能够控制在100μm左右,能够实现真正意义上的探头传感。实验表明在25℃-65℃范围内的温度灵敏度在-1.6nm/℃左右。由于硅油属于无毒无害材料,具有很高的生物亲和性,因此该传感结构在生化领域的测温上具有广泛的应用前景。本文在前人研究成果的基础上,集合有限元法和有限时域差分法进一步完善了光纤微腔结构的仿真模型,并且针对应变和温度测量需求设计了四款不同的光纤微腔传感器。