基于半导体敏感材料的长周期光栅传感器制备与双参量传感性能研究

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光纤传感技术将光波作为载体,光纤作为媒质,是一种感知和传输外界被测信号的新型传感技术。由于光纤传感器集信息传感与传输于一体的特点,同时具有质量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀和耐高温,可以远距离实时监测等特点,使得其可以实现很多传统传感器不能完成的测量任务。20世纪90年代发明的长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG),是一种具有周期性折射率调制的无源光纤器件,其超大的周期决定了它与传统的布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)相比具有完全不同的耦合机制。LPFG的周期通常有几十到几百微米,它可以将处于纤芯的基模耦合到同向传输的包层模中去,其中心波长和耦合强度与外界环境的变化息息相关。除了具有传统光纤光栅成本低,制备简单,易集成等特点,还具有插入损耗小,对多个外部参量敏感,无后向反射等优点,所以在通信、航空航天、生物医学、环境检测、传感等领域都有着十分广阔的发展前景。在光纤传感器的光纤光栅材料的制备中,其涂覆层的敏感材料对光栅传感器件的增敏特性起着决定性的作用,即其感应外界环境变化的传感性能也会随之确定。因此,本文利用半导体敏感材料与光纤光栅传感器件相结合,以高光纤光栅传感器的增敏特性进而实现高灵敏度传感测试。在理论上对脉冲激光沉积系统制备新型光纤传感器进行了深入研究,其中包括纳米敏感薄膜的厚度、敏感材料的掺杂配比、环境温度和压力等参数变化对光纤光栅传感性能的影响。在实验上,采用固相烧结法,制备半导体材料In2O3:Sn O2(ITO)、In2O3:Ga2O3:Zn O(InGaZnO)的陶瓷靶材,采用脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition,PLD)技术,将半导体材料纳米薄膜涂覆到光纤光栅传感器上,并且进行了传感性能研究,获得了最佳的敏感膜参数。为了解决多参量传感过程中双参量或多参量交叉敏感的问题,我们设计并搭建了双参量或多参量传感系统,开展双参量或多参量传感特性的研究。具体内容如下:一、在理论上结合耦合模理论构建了纤芯-包层-敏感膜-环境的四层模型,模拟了不同模式有效折射率随环境波长、环境折射率的变化关系,耦合系数与薄膜厚度、环境折射率的关系,包层模有效折射率与薄膜厚度、薄膜折射率的关系,通过理论分析找出不同材料ITO,InGaZnO的最佳敏感膜参数,为制备敏感膜光纤光栅传感器提供理论指导。二、在实验上采用固相烧结法制备了掺杂材料ITO及多掺杂材料InGaZnO的陶瓷靶材。采用PLD技术,制备了ITO、InGaZnO-LPFG涂覆层,完成了高灵敏度和高稳定性的新型增敏光纤光栅传感器的制备,并分析了不同参数下制备的纳米薄膜的物理性能,获得了制备传感性能最佳的薄膜制备条件,获得了涂敷掺杂半导体材料ITO的光栅传感器的折射率灵敏度高达295 nm/RIU,涂敷InGaZnO以后折射率灵敏度达到了338 nm/RIU,比镀膜前提高了近8倍。三、利用不同的敏感光纤,如FBG、光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF)、倾斜布拉格光纤光栅(Tilted fiber Bragg grating,TFBG)、LPFG或敏感薄膜ITO、InGaZnO,结合波分复用(wavelength division multiplexing,WDM)技术构建了双参量或多参量传感系统,解决了光传感过程中交叉敏感的问题,实现双参量或多参量光纤光栅传感器的增敏灵敏特性的稳定传感。
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