基于光子晶体光纤马赫—曾德尔气体传感器的研究

论文摘要

随着社会的发展,科技的进步,工业化、城市化进程不断加快,随之而来的环境污染也愈发严重,同时工业生产中存在大量的有毒有害气体,对人类安全产生极大的危害。因此研发对易燃易爆、有毒有害气体的检测设备显得极为重要。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）在横截面上包含各种排列形式的空气孔,这些空气孔贯穿整个光纤,这种独特的结构产生了一些独特的性能且具有用于传感领域的潜力,将其同敏感物质相结合可以获得一些新的性质,为光纤传感技术的发展提供了新的活力。本文以实心光子晶体光纤为研究对象,通过与单模光纤组合使用构造马赫-曾德尔干涉结构,在光子晶体光纤表面包覆氧化铜/聚苯胺复合材料,制作了一种一氧化碳光纤气体传感器。本文进行了以下几个方面的工作:（1）通过实验探究,优化熔接参数,利用单模光纤与光子晶体光纤成功制备了马赫-曾德尔干涉结构。（2）根据马赫-曾德尔干涉的原理,研究了传感器的工作原理,通过实验确定了该结构中PCF的长度。（3）将聚苯胺与氧化铜相结合,X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）表征显示成功制备了氧化铜/聚苯胺复合材料,通过浸涂法将此复合材料涂覆在PCF表面,厚度约为2μm。（4）将镀膜的PCF与单模光纤熔接,制作一氧化碳光纤气体传感器。该传感器的灵敏度为17 pm/ppm,在一氧化碳气体体积分数为0-75 ppm范围内呈现良好的线性关系和选择性,响应时间和恢复时间约为80 s和110 s。（5）利用40%的HF溶液腐蚀PCF包层,提高该结构对外界折射率的灵敏度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究的背景及意义
•   1.2 光子晶体光纤概述
•     1.2.1 简介
•     1.2.2 分类
•     1.2.3 特性
•     1.2.4 数值计算方法
•     1.2.5 制备方法
•   1.3 光子晶体光纤传感技术研究
•     1.3.1 倏逝波光子晶体光纤传感
•     1.3.2 光子晶体光纤表面等离子体共振传感
•     1.3.3 表面增强拉曼散射光子晶体光纤传感
•     1.3.4 液体填充光子晶体光纤传感器研究
•     1.3.5 光子晶体光纤光栅传感器研究
•     1.3.6 干涉型光子晶体光纤传感器
•   1.4 本文主要内容及章节安排
• 2 基于光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉结构的制作
•   2.1 实验材料及仪器
•   2.2 马赫-曾德尔干涉原理
•   2.3 光子晶体光纤与普通单模光纤熔接实验
•     2.3.1 熔接初步试验
•     2.3.2 进一步熔接实验研究
•   2.4 结构参数探究
•     2.4.1 温度对传感结构的影响
•     2.4.2 不同长度的PCF对外界折射率的测试
•     2.4.3 马赫-曾德干涉结构对外界折射率灵敏度的理论分析
•   2.5 本章小结
• 3 基于氧化铜/聚苯胺包覆光子晶体光纤的制作
•   3.1 氧化铜/聚苯胺的制备
•   3.2 氧化铜/聚苯胺包覆光子晶体光纤的制作
•   3.3 本章小结
• 4 氧化铜/聚苯胺包覆光子晶体的一氧化碳传感器性能检测
•   4.1 不同浓度CO的获取
•   4.2 传感器对CO气体敏感性能的研究
•     4.2.1 传感器灵敏度测试
•     4.2.2 传感器响应-恢复时间
•     4.2.3 传感器气体选择性
•     4.2.4 气敏机理分析
•   4.3 本章小结
• 5 干涉结构的优化
•   5.1 腐蚀装置
•   5.2 灵敏度测试
•   5.3 温度测试
•   5.4 本章小结
• 6 结论和展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马诗章

导师: 冯文林

关键词: 光纤光学,马赫曾德尔干涉,光子晶体光纤,氧化铜,聚苯胺,一氧化碳

来源: 重庆理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 重庆理工大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 62

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