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光纤中L型微孔结构的飞秒激光制备及传感特性研究

作　者: 柏玲
导　师: 曲士良; 赵秀丽
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 光纤微孔结构光束传输法水辅助飞秒激光折射率传感
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光纤折射率传感器因其具有体积小、质量轻、抗干扰能力强、便于实时监测和远程测量等优点，在环境监测、医疗及化学分析等领域有着广泛的应用前景。为了实现高精度、低成本的液体折射率测量，本文采用水辅助飞秒激光微加工技术，制备出一种基于微孔结构的单模光纤液体折射率传感器件。首先理论推导了光纤纤芯中传输模式的特征方程，利用光束传输理论模拟了单模光纤微孔传感结构的光场分布情况，并讨论了孔内折射率和孔长对光场分布的影响。接着采用水辅助飞秒激光微加工技术在光纤内制备L型微孔。提出了一种制备高质量微孔结构的可行性方法，研究了不同加工参数对实验结果的影响，制备出不同长度的微孔并用于后续试验。最后将制备好的器件用于液体折射率传感，研究了传感结构的传输损耗与波长、孔内液体折射率及微孔长度的关系，利用射线理论分析了传感的机理，讨论了温度和孔内熔屑对传感结构性能的影响。实验结果表明，利用水辅助飞秒激光微加工技术可以在光纤内制备出尺寸均匀、结构复杂的微孔。此外，制备的单模光纤微孔结构在折射率区间1.333-1.413上具有良好的折射率传感线性响应，灵敏度达到157.48dB/RIU，且不易受温度串扰。和其他的光纤折射率传感结构相比，这种传感结构具有结构紧凑、制备简单、灵敏度高、温度不敏感和成本低等优点，因此在生物化学测量领域中有着广泛的应用前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8
  1.2 光纤传感器简介  8-10
    1.2.1 光纤传感器分类  8-9
    1.2.2 光纤传感器的发展  9-10
  1.3 飞秒激光加工光纤传感器的研究进展  10-14
    1.3.1 飞秒激光微加工的优点  10
    1.3.2 飞秒激光加工光纤传感器  10-13
    1.3.3 水辅助飞秒激光微加工介绍  13-14
  1.4 本文的主要研究内容  14-15
第2章单模光纤微孔传感结构的理论基础  15-31
  2.1 阶跃光纤的模式理论  15-16
  2.2 阶跃光纤的矢量解  16-22
    2.2.1 矢量解特征方程  21
    2.2.2 矢量解分类  21-22
  2.3 光束传输法  22-25
    2.3.1 有限差分光束传输法  22-24
    2.3.2 边界问题  24-25
  2.4 微孔传感器的理论模拟  25-30
    2.4.1 孔内折射率对光场分布的影响  28-29
    2.4.2 孔长对光场分布的影响  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章飞秒激光对光纤打孔的研究  31-44
  3.1 水辅助飞秒激光打孔的基本原理  31-33
    3.1.1 光致电离  31-32
    3.1.2 雪崩电离  32-33
  3.2 微孔结构的制备过程  33-36
    3.2.1 实验装置  33-34
    3.2.2 光纤预处理  34-35
    3.2.3 飞秒激光制备流程图  35-36
    3.2.4 飞秒激光焦平面的确定  36
  3.3 飞秒激光对光纤打孔的研究  36-42
    3.3.1 脉冲平均功率  37-38
    3.3.2 打孔方式  38-39
    3.3.3 对光纤打孔分析  39-42
  3.4 本章小结  42-44
第4章光纤中L型微孔传感结构的性能测试  44-54
  4.1 实验方法  44-45
  4.2 微孔结构的响应特性  45-52
    4.2.1 折射率响应特性  45-49
    4.2.2 微孔结构传感机理  49-50
    4.2.3 微孔传感结构温度特性  50-52
  4.3 孔内熔屑对传感结构透射谱的影响  52
  4.4 本章小结  52-54
结论  54-55
参考文献  55-59
攻读硕士学位期间发表的学术论文  59-61
致谢  61

光纤中L型微孔结构的飞秒激光制备及传感特性研究

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