飞秒激光制备新型光纤传感器的研究

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现在光纤传感器发展越来越迅速,新颖的光纤传感器层出不穷,如今中国传感器市场突破2000亿,而信息化时代对传感器的需求还在持续增长,其中光纤传感器备受关注,因此结构简单紧凑、制作简单、有大规模生产潜力的光纤传感器成为研究热点。而飞秒激光器近年来在光纤微加工方面的突出表现为光纤传感器的发展提供了新的可能,飞秒激光加工精度高、损伤小,可以完成几十甚至几个微米的结构制作,使结构更加紧凑;飞秒激光结合加工平台可以使加工程式化,简化加工过程。为获得更为紧凑、更易制作的光纤传感器,本文基于飞秒激光对光纤的烧蚀和折射率修改,设计并制作了三种光纤探针式传感器,传感器完成了对温度、气压、折射率和湿度的测量。论文的主要工作如下:(1)设计并利用飞秒激光切割制备了一种基于毛细石英管的气压传感器,对毛细管长度和内径的挑选进行了分析,整个结构长度仅不到50μm,对该传感器的气压和温度响应特性进行了实验。实验获得了-4.4571nm/MPa的气压灵敏度,在温度达到75℃之后传感器对温度变化不敏感,可以避免温度带来的串扰。(2)设计并利用飞秒激光烧蚀制作了一种基于光纤微孔的法布里-珀罗干涉仪,利用飞秒激光在光纤端面附近加工柱形微孔形成三个反射镜面,微孔大小约20μm。对传感器的温度、湿度、折射率以及气压响应特性进行了实验,获得了-0.0669dB/℃的低温灵敏度,0.74nm/%RH的湿度灵敏度,6.5nm/RIU的折射率灵敏度,12.23pm/℃的高温灵敏度,1.743dB/MPa的气压灵敏度,能够用于测量多种参量。(3)设计并制作了一种基于飞秒激光折射率修改的光纤迈克尔逊干涉仪,利用飞秒激光对单模纤芯进行折射率修改,使一部分光进入到光纤包层中传输,折射率修改区域长100μm。传感器完成了最高580℃的高温测量,在280℃之前温度灵敏度为5.3pm/℃,280-580℃的温度灵敏度增大为16.9pm/℃。
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