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高靈敏度光子晶體光纖E+E壓力傳感器研究
光纖傳感技術是以光纖為傳導媒質,光波為傳輸信號的載體,通過測量外界擾引起的光信號變化,感知外界各物理量變化的新型傳感技術。傳統電學傳感器擁有易解調、價格便宜以及穩定性好等特點,但是這類傳感器不能夠在環境比較惡劣的情況下正常工作,而光纖傳感器能夠克服難題。光纖傳感器具有體積小,不受電磁擾,靈敏度高,壽命長,尤其是在高溫、易燃易爆、高壓、強電磁擾的情況下正常工作。

高靈敏度光子晶體光纖E+E壓力傳感器研究
光纖E+E壓力傳感器主要是對外界壓力進行即時的測量,這也是在傳感領域中比較常用到的一種傳感器。傳統的光纖E+E壓力傳感器普遍存在靈敏度不高的問題,監測效果并不理想。這是因為傳統光纖是實芯的結構,且石英材料的楊氏模量很大,在壓力作用下光纖形變非常小,造成了E+E壓力傳感器不靈敏的結果。而隨著光纖制造工藝的成熟,光子晶體光纖(Photonic-crystal fiber,PCF)有著可靈活設計的結構和新穎的傳輸特性,成為了傳感領域研究的一個熱點。在本文中我們提出了兩種基于光子晶體光纖制作高靈敏度光纖E+E壓力傳感器的方法。首先,選擇性地對光子晶體光纖進行填充高折射率液體,從而制作成光纖E+E壓力傳感器,并利用石英玻璃和液體之間力學屬性的差異獲得高壓力靈敏度。第二,熔接簡化空芯微結構光纖與單模光纖制作法布里-珀羅涉型E+E壓力傳感器,通過用氫氟酸腐蝕簡化空芯微結構光纖的外徑的包層厚度來提高傳感器的壓力靈敏度。本內容如下:闡述了光纖傳感器的基本工作原理及光子晶體光纖的傳輸特性,就如何利用光子晶體光纖在結構和光學上的特點來提升光纖傳感器的性能進行了詳細分析。針對石英材料在壓力作用下形變小的問題,為了進一步提高傳感器的壓力靈敏度,提出了液體選擇性填充的光子晶體光纖傳感器,這主要是利用液體和固體具有不同的壓力特性,在受到壓力作用下兩種物質的折射率變化不同,這導致了液體與光纖耦合波長發生漂移,增強了傳感器的力學特性。與裸光纖布喇格光柵E+E壓力傳感器相比,其壓力靈敏度增加了207倍,達到-0.621nm/MPa。提出了一種壓力增敏的方法,用氫氟酸腐蝕光子晶體光纖的外包層,通過減小外包層的厚度,削弱了石英材料的楊氏模量的影響,這一結構能夠有效地增大外界壓力對法布里珀羅腔長度的變化的影響,從而達到了增敏的效果。

高靈敏度光子晶體光纖E+E壓力傳感器研究
通過對光子晶體光纖外包層厚度的優化,壓力靈敏度由-17.5pm/MPa提升到了-32pm/MPa,幾乎提升了2倍,與此同時溫度靈敏度基本不發生變化,這種方法在提升壓力靈敏度的同時,有效降低了溫度交叉敏感性。對論文成果進行總結,歸納了研究工作的創新點,并對未來研究進行了展望。