光纤微结构器件制作与特性研究

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随着光纤传感的发展,集成化、全光纤型、小型化以及多参量的测量是目前光纤传感器的主要发展方向。本文主要通过使用准分子激光微加工技术制作具有不同功能特性的集成化光纤微结构传感器件。基于现有光纤Fabry-Perot传感器的制作、应用以及激光微加工技术,通过优化193 nm准分子激光加工系统参数,在普通单模光纤上实现了微米尺寸微孔的加工制作。根据传感使用功能需求,设计了几种不同微孔结构的光纤微结构传感器,并进行了结构优化研究。通过实验不仅研究了结构参数对传输光谱特性的影响规律,还详细分析了传感器对环境折射率和温度的响应特性。主要内容和结论如下:(1)制作了一种单孔型光纤Fabry-Perot传感器。通过对该传感器的理论分析和温度实验研究,发现该传感器在30-85℃液体环境中对温度具有良好的线性响应,获得的灵敏度为-0.160 nm/℃,拟合度为0.994。(2)制作了一种双孔型光纤Fabry-Perot传感器。通过理论分析可以将传感器的多复合腔简化为2个FP腔。实验制作了两个微孔间距不同的传感器,并研究了这两个传感器中2个FPI对温度的响应特性:当两微孔间距为1 mm时,传感器1st FPI和2nd FPI的温度灵敏度分别为-0.176 nm/℃和-0.156 nm/℃;当两微孔间距为2 mm时,传感器1st FPI和2nd FPI的温度灵敏度分别为-0.190 nm/℃和-0.188 nm/℃。(3)制作了一种单孔型光纤FPI-FBG传感器。实验研究了在100-500℃的高温范围内升温过程和降温过程中传感器FPI和FBG的波长响应特性。同时,实验制作了一个可以同时测量温度和折射率的单孔型光纤FPI-FBG传感器,FPI和FBG的温度和折射率灵敏度分别为-0.189 nm/℃、0.011 nm/℃和1210.490 nm/RIU,FBG对折射率不敏感,单孔型光纤FPI-FBG传感器的温度和折射率分辨率分别为0.1℃和1.5×10-5RIU。(4)制作了一种双孔型光纤FPI-FBG传感器。根据前面分析的双孔型光纤FP传感器的原理,可以将双孔型光纤FPI-FBG传感器简化为两个光纤Fabry-Perot传感器与光纤光栅的集成,1st FPI、2nd FPI、FBG的温度和折射率灵敏度分别为:-0.175 nm/℃和1128.190nm/RIU、-0.165 nm/℃和1120.799 nm/RIU、0.011 nm/℃和5.044 nm/RIU。双孔型光纤FPI-FBG传感器的温度和折射率分辨率分别为0.1℃和1.0×10-5RIU.利用准分子激光器制作的微孔型光纤传感器具有结构紧凑、制作简单、集成度高、灵敏度和线性度高等优点,为干涉型传感器的集成提供了一个新思路。
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