基于微納光纖環(huán)形腔的海水鹽度傳感-研究

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1、獨(dú)創(chuàng)聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含未獲得（注：如沒有其他需要特別聲明的，本欄可空）或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日---------------------------------------------------------------------學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文

2、的規(guī)定，并同意以下事項(xiàng)：1、學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。2、學(xué)?？梢詫W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)清華大學(xué)“中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社”用于出版和編入CNKI《中國知識(shí)資源總庫》，授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽字：簽字日期：年月日簽字日期：年月日V萬方數(shù)據(jù)VI萬方數(shù)據(jù)基于微納光纖環(huán)形腔的海水鹽度傳感研究摘要光學(xué)器件的微型化是其發(fā)展趨勢(shì)之一，對(duì)于

3、典型的傳輸波導(dǎo)光纖而言，也同樣進(jìn)入到微納的尺度。微納光纖區(qū)別于傳統(tǒng)光纖的最主要特點(diǎn)是具有倏逝場(chǎng)效應(yīng)。傳統(tǒng)光纖中光在光纖纖芯內(nèi)依靠全反射傳輸，而微納光纖中有很大一部分光能量在光纖外圍傳輸。微納光纖倏逝場(chǎng)的存在使得光纖對(duì)周圍環(huán)境的變化非常敏感。此外微納光纖制備簡(jiǎn)單、成本低、易集成等優(yōu)點(diǎn)使其成為傳感的理想材料。微納光纖環(huán)形腔是基于微納光纖的重要傳感元件之一，本文利用微納光纖環(huán)形腔來進(jìn)行海水鹽度測(cè)量，將微納光學(xué)與海洋探測(cè)聯(lián)系起來，為海水鹽度的測(cè)量提供一種新穎的方法。論文的主要研究工作如下:第一部分分析了海水環(huán)境中微納光纖的傳輸特性，求得了其傳輸常數(shù)和模場(chǎng)能量分布，進(jìn)而研究了海水中微納光纖環(huán)形

4、腔的特性。由于海水對(duì)光有吸收作用，研究了包含吸收損耗在內(nèi)的Q參數(shù)與光纖環(huán)、光纖直徑、探測(cè)波長(zhǎng)的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著微納光纖直徑和環(huán)直徑增大，相應(yīng)的Q參數(shù)變大；隨著探測(cè)波長(zhǎng)的增大，Q有減小的趨勢(shì)。第二部分提出了海水中溫度不敏感的環(huán)形腔鹽度傳感器。首先，建立了嵌入式鍍膜的環(huán)形腔鹽度傳感器結(jié)構(gòu)模型，研究了其溫度不敏感的條件。微納光纖直徑的大小影響著傳感器各部分的熱效應(yīng)貢獻(xiàn)比例，當(dāng)選擇合適的光纖直徑時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的熱效應(yīng)為零，此時(shí)即實(shí)現(xiàn)了溫度不敏感性。其中重點(diǎn)考慮到海水的熱效應(yīng)，選擇MgF2作為嵌入式材料來使傳感器得到更好的性能。在實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度不敏感特性之后，從靈敏度和探測(cè)極限兩方面討論

5、了傳感器的性能。結(jié)果表明，靈敏度隨鍍膜厚度和微納光纖直徑的增大而減小，隨探測(cè)波長(zhǎng)的增大而增大。探測(cè)極限隨鍍膜厚度的增大而增大。其次，為了研究鍍膜材料對(duì)環(huán)形腔傳感器的影響，又分析了裸微納光纖環(huán)形腔和嵌入在Teflon中的環(huán)形腔傳感器。對(duì)這三種傳感器的溫度特性及性能做了比較。在靈敏度方面裸微納光纖環(huán)形腔傳感器和鍍膜材料為MgF2的環(huán)形腔傳感器相差無幾?？紤]到應(yīng)用方面，選擇鍍膜的結(jié)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)形腔進(jìn)行保護(hù)。通過優(yōu)化傳感器參數(shù)，對(duì)于鍍膜材料為MgF2的環(huán)形腔傳感器，當(dāng)波長(zhǎng)為900nm，微納光纖半徑為400nm，環(huán)直徑為2000μm時(shí)，傳感器VII萬方數(shù)據(jù)鹽度靈敏度可以達(dá)到0.02nm/‰，鹽度

6、探測(cè)極限可達(dá)到0.18‰。最后，為了研究鍍膜方式對(duì)環(huán)形腔傳感器的影響，對(duì)圓柱型鍍膜的環(huán)形腔傳感器進(jìn)行了分析。與嵌入式鍍膜環(huán)形腔傳感器相比，在靈敏度和探測(cè)極限發(fā)面都有所改善。其最高靈敏度可達(dá)0.03nm/‰，最小探測(cè)極限為0.13‰。第三部分對(duì)微納光纖環(huán)形腔的鹽度傳感進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別得到了裸微納光纖環(huán)形腔傳感器和有棒支撐的環(huán)形腔傳感器的鹽度靈敏度。結(jié)果顯示利用微納光纖環(huán)形腔來進(jìn)行鹽度傳感測(cè)量是非常有效的。關(guān)鍵詞：微納光纖；微型環(huán)形腔；溫度不敏感性；海水鹽度；傳感器VIII萬方數(shù)據(jù)TheStudyofSeawaterSalinitySensorBasedonMic

7、rofiberRingResonatorAbstractOneofthedevelopmenttrendsofthephotoniccomponentsisminiaturization,soastothetypicaltransmissionwaveguidefiber.Oneofthedifferencesbetweenmicrofiberandfiberisthatmicrofiberhasevanescentfield.Lighttransmits