光纤CRDS技术及LPFG湿度传感研究

• 作 者: 刘亚萍
• 机 构: 南开大学
• 出 处: 南开大学
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: 光纤腔衰荡技术 倏逝波 长周期光纤光栅 湿度传感

本文介绍了光腔衰荡光谱技术产生的背景，特点、系统结构和应用发展情况；概述了在此基础上发展起来的光纤腔衰荡技术及其优越性，综述了其在痕量气体、液体检测、光纤传感和毛细管电泳等分离技术中的应用。本文的主要研究工作及研究成果如下：　　
基于朗伯-比尔吸收定律和光腔衰荡光谱技术原理，推导了光腔衰荡光谱技术测量的基本关系式；从结构设计的角度将光纤型衰荡腔归纳为光纤环形衰荡腔、纤端涂覆衰荡腔和光纤光栅衰荡腔三种基本类型；从构成和应用方面分别对这三种基本结构进行了分析，指出了各自的优缺点并分析了光纤衰荡腔的损耗机理，探讨了如何减小腔内损耗的途径。　　
合作设计出980nm光纤环衰荡系统，用氢氟酸腐蚀环内光纤的方法形成光纤双锥，以此作为传感单元检测二甲基亚砜溶液的折射率。阐述了倏逝场的产生机理，分析了光纤双锥所泄漏的倏逝场及光纤双锥的传输特性，并借助计算机软件对传输特性进行了模拟计算。　　
采用高频CO2激光脉冲法分别在980nm和1550nm单模光纤上写制出长周期光纤光栅，并将其置于不同折射率的液体中，定量测量了外界环境折射率对长周期光纤光栅频谱的影响，实验结果与理论预期相符。　　
设计并实现了一种长周期光纤光栅湿度传感方法，即用有机高分子聚合物聚乙烯醇树脂(PVA)在长周期光纤光栅上涂覆一层湿敏薄膜，利用其吸水后导致薄膜折射率改变引起长周期光纤光栅频谱变化特性，对环境湿度进行了测量。用耦合模理论分析了长周期光纤光栅的模式耦合和折射率传感特性，对比分析折射率和湿度传感的实验结果，发现实验结果与理论计算符合得较好。但由于用CO2激光脉冲法单侧曝光写制长周期光纤光栅时引入了光栅结构的非对称性，因此它对外界应变、弯曲等特性非常敏感。　　
在目前单一组分、单一参量的流体折射率和湿度传感基础上，设计出基于光纤腔衰荡光谱技术的多组分、多参量检测系统：分别提出了对光源实现复用的同步复用和非同步复用方式，以及对探测器实现复用的时延复用方式。这种复用方式在提高系统的利用率及降低系统成本方面具有参考价值。