基于飞秒激光微加工的光纤传感器制备及其传感特性研究

摘要

光纤传感系统具有灵敏度高、结构精巧、抗电磁干扰、耐腐蚀并能实现分布式测量等优势，在科研、生产、安全等领域的应用日益增加。飞秒激光具有超短的脉冲宽度、超高的峰值功率，从根本上改变了激光加工过程中的光与材料的作用机理，具有精度高、加工材料广泛及真三维加工等优势，被广泛应用于各种功能器件的加工过程。
　　本论文以飞秒激光加工的光纤微结构传感器为中心内容，从传感机理、模式分析、数值仿真、制作工艺及传感测试等方面展开研究，并对加工光束的优化问题进行了探讨。论文的主要创新性工作包括以下三个方面:
　　(1)开展了基于微拉锥的光纤内微腔传感技术研究，获得了一种多功能、小体积、高强度、低成本的光纤传感器。理论分析了基于内置微腔的干涉型光纤传感器机理，对双光束干涉公式解析得到传感器的温度、纵向应力及外界折射率传感灵敏度均与模式阶数有关的结论;建模并仿真分析了微腔壁中的传导模式，探讨了传感器在纵向应力及折射率传感时存在红移或蓝移的可能性;实验研究了光纤内置微腔传感器的制作方法，确定了飞秒激光烧蚀-熔接-微拉锥的三步法制作流程并优化了工艺参数;测试了微拉锥内微腔干涉仪在温度、应力和折射率方面的传感性能，实验获得了与理论研究一致的结果;实现了微拉锥内微腔干涉仪用于温度与应力同时测量;为增强器件对外部折射率的响应进行了微腔壁的减薄处理，实验获得该器件在低折射率区间灵敏度达到4202nm/RIU，较微拉锥微腔传感器提升约100倍。
　　(2)开展了基于选择填充光子晶体光纤的传感技术研究，获得了一种设计灵活、制备可控的弯曲矢量传感器。理论研究了选择填充光子晶体光纤耦合器的传感机理，建模并仿真分析了光子晶体光纤结构参数及填充材料对耦合器传感性能的影响;以正交位置填充不同折射率液的方案，设计了能够实现全空间弯曲矢量测量的传感器;实验研究了以飞秒激光为关键加工手段的选择填充光子晶体光纤耦合器的制备方法;测试了耦合器的弯曲传感特性，在0～10.7m-1曲率范围内获得具方向指示的线性响应，灵敏度达到-1.20nm/m-1，实验结果与理论分析高度统一，为特殊功能传感器的设计和制备提供了可靠的依据。
　　(3)开展了飞秒激光加工光束的优化技术研究，设计了一种能够减小光斑横向尺寸并延长焦深的光瞳滤波器。以矢量衍射方法计算了径向偏振光在聚焦点附近的光强分布;分析了影响光斑尺寸的主要因素并以此为依据设计了连续相位型光瞳滤波器;以横向超分辨因子为优化目标，施特列尔比为约束条件对滤波函数进行了优化，计算结果表明在保持较高能量利用率的同时(S=0.5），获得了更小的聚焦光斑(GT=0.75)。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 光纤传感器

1．1．1 强度调制型传感器

1．1．2 相位调制型传感器

1．1．3 波长调制型传感器

1．1．4 偏振调制型传感器

1．2 飞秒激光微加工光纤传感器

1．2．1 飞秒激光微加工特点

1．2．2 光纤的直写法微加工

1．2．3 光纤的干涉法微加工

1．3 本论文创新点及研究内容

2 基于内置微腔的光纤传感器

2．1 光纤微腔的传感应用

2．1．1 光纤微腔Fabry-Perot干涉仪

2．1．2 光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪

2．2 内置微腔光纤传感器的理论研究

2．2．1 内置微腔光纤传感器的传感特性分析

2．2．2 内置微腔光纤传感器的传导模式

2．3 内置微腔光纤传感器的制作

2．4 内置微腔光纤传感器性能测试

2．4．1 外界折射率传感测试

2．4．2 纵向应力传感测试

2．4．3 温度传感测试

2．5 内置微腔传感器实现温度和应力同时测量

2．5．1 多参数同时测量原理

2．5．2 灵敏度矩阵标定

2．5．3 温度与应力同时测量

2．6 减薄腔壁增强折射率传感灵敏度

2．6．1 具有微纳级壁厚微腔的制作

2．6．2 微腔的折射率传感测试

2．6．3 微腔的高温稳定性测试

2．7 本章小结

3 基于选择填充光子晶体光纤的传感器

3．1 光子晶体光纤

3．1．1 光子晶体光纤的类型

3．1．2 光子晶体光纤的特性

3．1．3 光子晶体光纤的传感应用

3．2 光子晶体光纤的液体填充

3．2．1 光子晶体光纤全填充

3．2．2 光子晶体光纤选择填充

3．3 选择填充折射率导光型光子晶体光纤的理论研究

3．3．1 光波导的模式耦合

3．3．2 选择填充光子晶体光纤耦合器

3．3．3 耦合器的工作波长

3．4 基于耦合原理的弯曲传感器设计

3．4．1 耦合器弯曲传感原理

3．4．2 耦合器的弯曲灵敏度

3．4．3 二维弯曲矢量传感器设计

3．5 选择填充折射率导光型光子晶体光纤的实验研究

3．5．1 选择填充光子晶体光纤耦合器的制作

3．5．2 弯曲的传感测试

3．5．3 弯曲与温度交叉敏感

3．5．4 耦合器的弯曲检测极限

3．6 本章小结

4 飞秒激光微加工的光束优化

4．1 飞秒激光微加工中的超分辨

4．1．1 超分辨光瞳滤波器

4．1．2 偏振态对聚焦光斑的影响

4．2 径向偏振加工光束的聚焦

4．2．1 径向偏振光聚焦光场仿真

4．2．2 径向偏振光焦斑特征

4．3 连续相位型超分辨滤波器设计

4．3．1 相位滤波函数的构造

4．3．2 滤波函数优化结果及讨论

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 主要研究内容与结果

5．2 论文存在的不足及工作展望

参考文献

作者简历