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高功率激光装置光通量的不断提升,对光学元件的负载能力也提出了越来越高的要求,由装置内部空间中有机污染所引起的损伤问题逐渐浮现。本项目基于微纳光纤器件对外界环境折射率高度灵敏特性,提出了利用表面修饰微纳光纤耦合器在线监测高功率激光装置内微量污染物。研究不同环境下输出光谱响应,微量污染物浓度与光谱偏移量之间的对应关系;建立表面修饰膜层与污染物吸附与解吸附的动力学模型、优先吸附模型,通过研究表面修饰膜层与污染物相互作用机理,获取结构参数、膜层参数,膜层修饰控制条件等多场耦合下影响传感单元性能的规律;通过搭建离线验证平台,利用分压法对传感单元进行对标验证,并寻求外界环境例如偏振态、温度及湿度对传感单元的影响规律;利用在线验证平台,诠释传感单元的鲁棒性、可重复性以及稳定性。探索该环境传感器在其它方面的应用,例如生物传感,半导体制造等方面。 2100433B
批准号 |
61605186 |
项目名称 |
基于微纳光纤耦合器表面修饰的环境传感特性研究 |
项目类别 |
青年科学基金项目 |
申请代码 |
F0502 |
项目负责人 |
周国瑞 |
负责人职称 |
副研究员 |
依托单位 |
中国工程物理研究院激光聚变研究中心 |
研究期限 |
2017-01-01 至 2019-12-31 |
支持经费 |
21(万元) |
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光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配,这就需要光纤耦合器来实现。光纤耦合器又称光分路器、分光器,是光纤链路中最重要的无源器件之一,是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件,常用M×N来表示一...
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基于光纤耦合器的声发射传感器
为检测变压器内局部放电产生的声发射信号,介绍了一种基于特殊光纤熔融拉锥耦合器型声发射传感器。它是利用声波引起的扰动改变耦合器两臂光功率输出的特点来检测声发射信号。实验结果表明:此种传感器在10 kHz~250 kHz范围内对声发射信号有良好响应,在155 kHz灵敏度为5.6×10-6V/Pa,噪声为1.8 Pa声压,有望在复合材料与结构、电力无损检测方面得到应用。
基于耦合模理论的光纤耦合器应变特性研究
根据单模光纤耦合器的输出功率的比值对耦合区长度变化敏感的特点,分析了熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理。采用螺旋测微仪对光纤耦合器的应变特性进行研究,避免了悬臂梁结构自重、梁的振动等不可控因素对测量结果的影响,有效提高了测量精度。同时详细分析了环境温度以及光纤耦合器的横向应变对试验结果的影响。实验证明,熔融拉锥式单模光纤耦合器不但具有应力敏感性,而且随应变呈线性单调变化,同时也具有较好的温度稳定性和横向抗干扰性。
微纳光纤主要用于传导光能,对其而言,光学损耗是重要参数。童利民等人在测试中发现,633nm 波长的光在直径为 190nm 的氧化硅微纳光纤中传输,其传输损耗为 1.7dB/mm[3],与其它同尺寸大小的微纳光波导相比其传输损耗小得多。 目前已经报道的氧化硅微纳光纤在 1550nm 波长处最低损耗约为 1.4dB/m 。
微纳光纤的包层一般为空气或者水 等低折射率介质,纤芯和包层折射率差较大,光纤对光场的约束能力很强,因此,微纳光纤弯曲损耗很低,虞华康等对微纳光纤弯曲损耗进行了相对系统的理论研究。 同时,因为折射率差较大,传统光纤用来研究其模场分布特性的弱导条件已不再适用。 童利民等通过精确求解 Maxwell 方程组, 给出微纳光纤基模的模场分布和群速度色散等特性:一般而言,当微纳光纤直径大于传输光波长时,它对模场的约束能力随着直径减小而增大;当直径减小到波长或亚波长量级时,模场面积将达到一个极小值,相应微纳光纤的光场约束能力达到最大值(如果选择恰当的微纳光纤,模场的等效直径可达到亚波长量级);若进一步减小微纳光纤直径,它的光场约束能力将逐渐减弱, 模场也随之扩散,从而导致相当大比例的光能量(可高达 90%)以围绕光纤表面的倏逝波的形式传输。 Sumetsky 等从理论上预测了当微纳光纤直径小于传输光波长的 1/10 时,微纳光纤将不能用来作为传导光介质。 Chen 等用亚波长的太赫兹波导证实了上述结论;Kien 等对微纳光纤模场分布的解析表达式做了详细分析;Huang 等采用数值模拟的方法,比较系统地研究了两根微纳光纤之间倏逝波耦合情况;Wang 等从理论上详细分析了微纳光纤传导模受端面的影响情况以及输出特性 。
波导色散在光脉冲传输和光纤非线 性效应中有着重要的意义。 童利民等通过计算微纳光纤中传导模群速度和波长的关系,获得微纳光纤的波导色散远大于弱导光纤的波导色散和材料色散的结论。 而且,不同直径的微纳光纤在传输同一光波长时,波导色散也将发生明显移动,因此,选择恰当直径的微纳光纤可以对其波导色散进行有效调控。 微纳光纤这种色散可调控的特性使其在与色散有关的光通信和非线性光学等领域中具有重要应用价值,例如,通过调控微纳光纤色散,可以降低激发光的功率阈值、减小非线性相互作用长度等。 目前研究者已经在微纳光纤中实现诸多非线性效应,例如三次谐波的产生、受激多喇曼散 射、光 孤 子 的 形 成 与 传 播和 超 连 续 谱 的 产 生等 。
绪论
参考文献
第1章微纳光纤的光波导特性
1.1微纳光纤简介
1.2微纳光纤的光波导特性
1.2.1理想微纳光纤的光波导特性
1.2.2微纳光纤的群速度和色散
1.2.3锥形微纳光纤
1.3小结
参考文献
第2章微纳光纤的制备方法
2.1微纳光纤制备方法简介
2.1.1化学腐蚀的方法制备微纳光纤
2.1.2块状材料熔融拉伸的方法制备微纳光纤
2.1.3利用静电纺丝技术制备微纳光纤
2.2加热拉锥的方法制备微纳光纤研究
2.2.1加热拉锥制备微纳光纤方法简介
2.2.2利用电流加热拉锥制备微纳光纤的研究
2.3小结.
参考文献
第3章微光纤环谐振器慢光效应的研究
3.1慢光技术基础
3.1.1相速度、群速度和信号速度
3.1.2慢光理论基础
3.2微光纤环谐振器慢光效应理论研究
3.2.1MCR慢光效应理论模型的建立
3.2.2MCR谐振及慢光特性模拟分析
3.3微光纤环谐振器慢光效应实验研究
3.3.1MCR慢光单元的缠绕制作
3.3.2特氟龙柱子构成的MCR慢光单元慢光延时测量
3.3.3MgF2柱子构成的MCR慢光单元慢光延时测量
3.4小结
参考文献
第4章基于微纳光纤倏逝场效应的气体传感器
4.1气体传感技术简介
4.1.1各类气体传感器的优、缺点
4.1.2光纤气体传感器
4.2基于光纤倏逝场效应的气体传感器研究进展
4.2.1倏逝场穿透深度
4.2.2基于光纤倏逝场效应气体传感器研究进展
4.3基于微纳光纤倏逝场效应的气体传感器
4.3.1锥形微纳光纤气体传感器
4.3.2表面镀膜的锥形微纳光纤气体传感器
4.3.3微纳光纤锥气体传感器
4.3.4微纳光纤光栅和石墨烯复合型气体传感器
4.3.5基于锥形微纳光纤倏逝场效应的光声光谱气体传感器
4.4基于微纳光纤倏逝场效应的气体传感器研究
4.4.1传感器结构设计
4.4.2传感器传感原理
4.4.3传感器测试光路
4.5小结
参考文献
第5章基于微光纤环谐振器的角速度传感技术
5.1角速度传感技术简介
5.1.1光纤陀螺的研究进展
5.1.2光纤陀螺的基本工作原理
5.2基于微光纤环谐振器的角速度传感技术探索
5.2.1慢光陀螺研究进展
5.2.2MCR慢光角速度传感单元结构设计
5.2.3MCR慢光角速度传感单元角速度传感模型的建立
5.2.4MCR慢光角速度传感单元传感特性模拟分析
5.3小结
参考文献
第6章微纳光纤在生物传感技术中的应用
6.1光学生物传感技术简介
6.1.1光学生物传感技术
6.1.2光学生物传感器
6.2基于微纳光纤倏逝场效应的生物传感器
6.2.1基于微纳光纤线圈的生物传感器
6.2.2基于微纳光纤布拉格光栅的生物传感器
6.2.3微纳光纤表面固化金属纳米颗粒的生物传感器
6.2.4微纳光纤和介质微粒构成的光学谐振微腔生物传感器
6.2.5微纳光纤锥尖端镀铝膜的生物传感器
6.2.6塑料微纳光纤表面涂覆石墨烯的生物传感器
6.3小结
参考文献
第7章微纳光纤在其他传感技术领域的应用
7.1微纳光纤在温度传感技术中的应用
7.1.1温度传感技术简介
7.1.2基于微纳光纤的温度传感技术
7.2微纳光纤在电流传感技术中的应用
7.2.1光纤电流传感技术简介
7.2.2法拉第效应
7.2.3基于微纳光纤的电流传感技术
7.3微纳光纤在加速度传感技术中的应用
7.3.1加速度传感技术简介
7.3.2基于微纳光纤的加速度传感技术
7.4小结
参考文献
第8章基于光纤布拉格光栅的光缆卷盘静态压力研究
8.1光纤光栅简介
8.1.1光纤光栅的发展
8.1.2光纤光栅的分类
8.1.3光纤光栅的写入技术
8.1.4光纤光栅信号解调方法
8.1.5光纤布拉格光栅传感原理
8.2微纳光纤光栅
8.2.1微纳光纤光栅的制备方法
8.2.2基于微纳光纤光栅传感技术
8.3基于光纤布拉格光栅的光缆卷盘静态压力分布研究
8.3.1光缆卷盘静态压力分布理论研究
8.3.2光缆卷盘静态压力分布实验研究
8.4小结
参考文献"
薛茹君博士学位论文研究工作是在吴玉程教授的指导下完成的,本论文基于研究的结果总结而成。此研究得到国家自然科学基金(20571022)、教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20060359011)、安徽省"十五"科技攻关项目(01402007)等资助,围绕不同纳米结构单元的表面修饰与改性、改性后纳米结构单元的物性等内容进行研究,试图为不同纳米结构(包括纳米粉体、准一维纳米结构等)的表面修饰、改性以及分散提供新的方法,发挥纳米结构的功能特性(如光催化、微波吸收等),为纳米材料的应用奠定基础。