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光纤微流体器件的飞秒激光制备及液体折射率传感

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 光纤传感器概况

1.2.1 强度调制型光纤传感器

1.2.2 相位调制型光纤传感器

1.2.3 波长调制型光纤传感器

1.3 光纤折射率传感

1.3.1 功率调制型

1.3.2 相位调制型

1.3.3 波长调制型

1.4 飞秒激光微加工技术概述

1.4.1 飞秒激光在光子学中的应用

1.4.2 飞秒激光在医学中的应用

1.4.3 飞秒激光在材料学中的应用

1.4.4 飞秒激光在微流体器件中的应用

1.5 本文的主要研究内容

第2章 光纤微流体器件透射光强理论模拟及飞秒激光水辅助加工机理

2.1 光纤中的波动方程的数值解法及理论模拟

2.1.1 波动方程的推导及包络函数的引入

2.1.2 光束传播方法简介

2.1.3 理论模型的建立及模拟结果

2.2 飞秒激光水辅助加工机理

2.2.1 水中冲击波的形成和传播

2.2.2 激光空泡的产生和空化空蚀现象

2.2.3 激光束的能量与微流通道尺寸的关系

2.3 本章小结

第3章 微流体器件的制备

3.1 飞秒激光三维加工系统简介

3.2 光纤预处理

3.3 通道加工过程及各项加工参数的选择

3.4 通道制备方案的探索

3.5 本章小结

第4章 微流体器件对液体折射率传感特性研究

4.1 微流通道长度对传感灵敏度的影响

4.2 微流通道与纤芯距离对传感灵敏度的影响

4.3 理论模拟结果与实验结果的对比分析

4.4 此微流体器件对温度的响应

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

声明

致谢

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摘要

本文利用飞秒激光水辅助加工的方法成功的在单模光纤中加工出了平行于纤芯的微流通道,从而制成了一种能够应用于液体折射率传感的新型光纤微流体器件,这种微流体器件的制备方法非常的简便、高效,而且此微流体器件具有很高的力学稳定性,不易折断,耐高温,液体在微流通道内部流动,避免被测液体与外界接触,具有很强的抗干扰能力。以下是本文包含的一些具体内容。
  首先介绍了光纤传感器的优点,分类以及国内外研究现状,并总结了飞秒激光微加工的研究现状以及其作为一种新的微加工方法的显著优势。通过麦克斯韦方程组推导出了光纤电磁场波动方程的分量形式,并且利用基于光束传播算法的软件模拟出了实验结构的理论曲线。最后介绍了飞秒激光水辅助加工的机理。
  然后对平行于纤芯的微流通道的制备方案进行了研究,最终确定了―H型‖通道微流体器件的制备方案,通过加入竖直通道的制备,这种方案几乎能够加工出任意长度的水平通道,同时通过控制竖直通道与纤芯的距离达到了控制与纤芯平行的通道与纤芯距离的目的。为了测量这种光纤传感器对液体折射率的传感特性,用甘油和水配置出了一套折射率液,折射率范围从1.3406到1.4078,测量出了不同通道长度的样品和距纤芯不同距离的样品的传感特性曲线,与软件模拟出的相似结构的纤芯透射光强的理论曲线进行了对比。最后测量了样品在高温环境中的表现。
  通过对实际样品传感特性曲线进行分析,我们发现水平通道的长度越长,纤芯中的光损耗的越多,同时传感器的灵敏度越高;水平通道与纤芯的距离越近,纤芯中的光损耗的越多,同时传感器的灵敏度越高。通过比较实际传感曲线与理论曲线,发现两者的趋势基本是一致的,但是实际样品的损耗会更大一些,这主要是由水平通道内壁的粗糙度造成的。此传感器对温度不敏感,并且能够在200℃的环境中长时间的正常工作。

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