【摘 要】
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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,
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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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