基于飞秒激光加工微孔聚合物光纤液体折射率传感器的研究

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液体折射率是反映介质内部信息的一个重要参量,并且与物体的浓度、温度、色散、密度、应力以及热力系数等参量密切相关。测定介质内部的折射率空间分布规律对于科研实验和生产实践具有极其重要的意义。因此,测量物体折射率的方法不仅要满足理论上的测量要求,还要能够符合现实意义上的可操作性。目前有关液体折射率的光学测量方法有很多种,大致可以总结为一下三类:几何光学测量法、波动光学测量法以及光纤传感器测量法等。光纤传感技术是随着光纤通信技术的发展而产生的一种新技术。光纤传感器是通过外界环境调制光纤内的传输光信号,使光波的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性能发生改变,经过对光信号进行解调而最终达到“感知”外界环境变化的新型传感器。本文在飞秒激光器微加工技术的基础上,提出了一种带有微孔的聚合物光纤液体折射率测量传感器,该传感器具线性度好,测量范围广,灵敏度高,温度敏感低等优点。本文的主要工作大致可以分为以下两个部分:1)微孔聚合物光纤液体折射率测量传感器的理论研究。在光射线理论的基础上,本文从折射损耗和连接损耗两方面对带有微孔的聚合物光纤液体折射率测量传感器的传输特性做了深入的研究,并发现当孔径尺寸不变时,随着孔径内液体折射率的增加光纤的传输功率也将随之不断增加,光纤传感器折射损耗逐渐减小;当微孔内液体折射率增加量一定时,随着微孔孔径尺寸的不断增加,光纤传感器的连接损耗也将逐渐增加。2)带有微孔的聚合物光纤液体折射率传感器的实验研究实验中我们用飞秒激光微加工技术在聚合物光纤的中心轴线上制作出了深度为1.0mm,孔径为0.64mm的微孔来探究微孔内液体折射率变化对光纤传感器的传感特性的影响。我们发现聚合物光纤传感器的功率损耗值随着微孔内液体折射率的逐渐增加而不断减小,并且二者呈现出良好的线性关系,光纤传感器具有较大的液体折射率的测量范围,灵敏度大约能够达到18.00dB/RIU左右。这部分的实验测量曲线与上述的理论模拟曲线在趋势上完全一样,但在数值的大小上则有一定的偏差。针对这部分的误差分析,我们也在文章当中给出了合理的解释说明。为了探究光纤传感头微孔孔径尺寸大小对光纤传感器传输特性的影响,我们在实验当中制作出了孔径大小分别为0.32mm,0.44mm以及0.64mm的传感头。经过测量实验我们发现,当液体折射率为某一特定值时,光纤传感器的损耗值和灵敏度都将随着微孔孔径的增大而增大,拥有最大孔径微孔的光纤传感器具有最高的灵敏度。3)带有微孔的聚合物光纤液体折射率传感器的模拟分析。对于该传感器的实验损耗特性,我们建立了连接损耗模型和折射损耗模型对其进行详细的解释和具体的数值模拟分析。数据分析时,我们应用mathematics软件模拟出了与实验光纤传感头孔径尺寸对应的大小为0.32mm,0.44mm以及0.64mm的聚合物光纤传感器的连接损耗和折射损耗的理论损耗特性曲线,并得到了在不同折射率液体环境下光纤传感器总的理论损耗值,并得出:随着微孔孔径尺寸的增加,光纤传感器的损耗值和灵敏度也随之增加,带有最大尺寸孔径微孔的光纤传感器具有最高的灵敏度。实验最后,我们探究了外界环境温度对微孔聚合物光纤液体折射率传感器的影响。发现在温度变化范围为200C到700C的区间内,环境温度的变化对微孔光纤传感器的影响作用很小,可以近似忽略不计。
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