光纤倏逝波化学传感器设计与应用研究-光学工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 中图分类号 TB212 学校代码 10356 UDC 62 密级 公开 硕 士 学 位 论 文 MASTER DISSERTATION 光纤倏逝波化学传感器设计与应用研究 Design and Application Research of Optical Fiber Evanescent Wave Chemical Sensor 作 者 谭耀成 专业领域 光学工程 校内导师 楼俊 副教授 校外导师 史世龙 工程师 申请学位 工学硕士 论文类型 应用研究 二〇一四年三月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国计量学院 或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 中国计量学院 有关保留、使用学位论文的 规定。特授权 中国计量学院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借 阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（必威体育官网网址的学位论 文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 致 谢 本文是在我的导师楼俊副教授的悉心指导下完成的。是他把我带入了光纤 传感的研究领域，导师活跃的学术思想，敏锐的洞察力，严谨的治学作风，渊 博的知识和详细、耐心的指导，使我受益匪浅，终身难忘。本论文的字里行间 无不凝聚着恩师的心血，恩师锐意的创新精神、奋斗进取、忘我的工作态度以 及朴实无华的生活作风是我一生学习的楷模，在此向恩师表示深深的谢意。 论文工作得到了课题组的各位老师的协助。感谢黄杰老师、沈为民教授、 徐贲老师、裘燕清老师的无私帮助，使作者能够比较顺利的完成论文的写作， 在此向他们表示诚挚的谢意。 感谢导师组刘月明教授、黄昌清老师、刘涛老师、冯桂兰老师、陈慧芳老 师给予学习和生活上的关心和帮助。 感谢校外指导教师史世龙工程师，在我专业实践时给我的无私的帮助和细 心指导。 感谢朝夕相处的师兄弟、师姐妹，在我需要帮助的时候，他（她）们总是 能及时的伸出援助之手，他（她）们是:罗燕萍、张帆、华静、周国尊、皇甫晓 洪、蔡青、蔡庆木、王清伟、吴刚、许宏志、高晓良、夏忠诚、宋鑫、吕昌亮、 李本冲。借此机会，向他们表示由衷的感谢! 感谢光电学院的各位老师和同学在学习和生活上给予我的关心和帮助。 感谢母亲和天堂里默默关怀我的父亲。 感谢我的哥哥和姐姐，他的理解和支持是我不断前进的动力。 感谢每一位支持、帮助过我的老师、亲人、朋友们! 谭耀成 2014年3月 光纤倏逝波化学传感器设计与应用研究 摘要：在化学传感器研究中光纤传感器因具有体积小、灵敏度高、抗 电磁干扰和远距离传感等优点而成为传感器研究热点。本文对基于倏逝波 理论的光纤化学传感器的传感原理进行了理论分析，并进行相应的数值模 拟，对本征型、锥形和布拉格光栅光纤结构倏逝波光场分布情况及反射光 谱进行仿真模拟，并在模拟的基础上进行实验设计和测量，从理论，模拟， 实验三个方面研究基于倏逝波光纤传感器的传感特性。 本文的主要工作内容具体叙述如下： 1、对光纤模式理论：时域有限差分光束传播法(FD-BPM)和光纤耦合 模理论(CMT)的基础理论知识进行了详细的介绍，通过理论推导，得到它 们的计算表达式，从表达式中出发，给出了相应算法的流程步骤，并根据 流程步骤分别得出了算法模拟图，为后续传感器的模拟分析奠定理论基 础。 2、通过对基于倏逝波理论的光纤传感 器理论推导，得到灵敏度的计 算公式，从公式中发现，灵敏度与敏感区域中光纤的结构参数及外界环境 参数有关，从而预测基于倏逝波理论的光纤传感器在化学传感领域的应用 潜力。通过分析模拟所得结果，得出传感规律，为后文实验设计提供参考 依据。 3、采用本征型光纤结构，以氯化钠溶 液折射率的检测为例进行实验 研究，设计并制作了基于倏逝波理论的光纤折射率传感器。实验中光纤部 分采用 HF 溶液腐蚀，并通过实验的方法测出光纤腐蚀速率。实验探究了 相同传感长度不同直径及相同传感直径不同长度对光纤折射率传感灵敏 度的影响，结果表明：传感直径越小，传感长度越长，归一化输出功率越 小，折射率灵敏度越高，这与数值模拟结果一致。 关键词：光纤倏逝波；折射率传感器；灵敏度；时域有限差分光束传播法 (FD-BPM)；光纤耦合模理论(CMT)； 分类号：TP212；535 I Desig