【摘 要】
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随着工业化进程的推进,各个领域对光纤传感器性能的要求越来越高。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）以其灵活多变的结构设计和优良的传光特性,近年来得到广泛而深入的研究和发展。同时PCF的小型化特性也有利于光电集成化,是目前新型光电器件领域的热点之一。由于PCF的多孔特性,其制备工艺太过复杂,一直限制PCF的传感应用,因此需要大量的仿真分析和实验研究以充分开发其潜在性能
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51677044），基于ZnO薄膜与FBG定位的倏逝场型电力设备局部放电在线检测关键技术研究；
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随着工业化进程的推进,各个领域对光纤传感器性能的要求越来越高。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）以其灵活多变的结构设计和优良的传光特性,近年来得到广泛而深入的研究和发展。同时PCF的小型化特性也有利于光电集成化,是目前新型光电器件领域的热点之一。由于PCF的多孔特性,其制备工艺太过复杂,一直限制PCF的传感应用,因此需要大量的仿真分析和实验研究以充分开发其潜在性能。本文在对单模PCF进行模拟仿真的基础上展开了实验研究,从仿真分析和实验测量两个方面论证PCF的长度对传输特性的影响。首先对单模PCF进行数值分析,得出不同长度PCF的归一化光强随波长的变化规律。在此基础上,提出并制备了SMF-PCF-SMF的传感样本,设计并实现了对其进行传感特性研究的实验系统。对不同长度PCF制得的传感样本进行折射率、温度以及磁场的特性研究,对比得出不同长度的PCF对传感器性能的响应。实验结果表明,PCF长度为30 mm的SMF-PCF-SMF传感单元的灵敏度最高,分别为488.29 nm/RIU,73.72 pm/℃和42.13 pm/m T。为了提高传感灵敏度、实现动态在线检测,提出并数值研究了两种基于不同传感通道的侧面抛磨的PCF折射率传感器。一种是在抛光平面上涂覆双层复合膜（银-石墨烯/氧化锌）,另一种是抛光平面上开设一个矩形通道并镀上金膜。通过纤芯导模与表面等离子模式的耦合控制传感的传输特性。数值结果表明,两种PCF传感器的最大波长灵敏度分别达到6000 nm/RIU和42000 nm/RIU。提出并数值分析了一种基于双边抛磨的PCF折射率传感器。该传感器在两侧的抛磨平面上各开设一个凹槽,将纳米金填充或涂覆在微槽开口间。研究了金填充和金镀膜、奇模模式和偶模模式以及结构参数对传感器灵敏度的影响。数值结果表明,该PCF传感器的折射率探测范围在1.30～1.44,其最大的波长灵敏度为19325 nm/RIU。
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