基于飞秒激光加工的微结构光纤传感器件制备

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光纤传感器是一种新型的光敏器件，激光发出的光与被测参量相互作用，导致光的某些参数（如强度、相位、波长等）发生改变而成为被调制的信号光，通过解调便可以检测出外界参量变化。光纤传感器具有尺寸小、灵敏度高、本质绝缘、抗电磁干扰和能够实现分布式测量等优点，因此在大型工程的安全监测、大型设备的火灾报警等领域得到了广泛应用。光纤传感器件的制备越来越受到重视，人们不仅需要传感器具备较高的稳定性，同时对传感器的结构和灵敏度提出了更高的要求。然而新型光纤传感器的研制往往会出现新的问题，首先对于法布里-珀罗（F-P）干涉传感器，由于传统加工技术的局限，性能通常会受到端面平整度和反射率的影响。另外对于光纤光栅（FBG）型镀膜传感器，在光栅包层直接镀膜往往会受到灵敏度较低和膜层易脱落的困扰。在这一背景下本文提出利用飞秒激光对两种不同类型的光纤传感器进行探讨，制备光纤F-P温度传感器和FBG氢气传感器，主要工作分为以下三个方面：（1）分析了飞秒激光的作用机理，建立了法布里-珀罗温度传感模型和光纤光栅应变模型，为传感器的设计奠定了理论基础。（2）通过飞秒激光对光纤的基础实验，探究了衰减模式、光阑孔径、激光频率等参数对微结构表面质量的影响，总结出不同参数下的加工规律。提出水辅助激光加工的方法，克服了常规空气中加工F-P腔反射率低、表面粗糙的缺点。优化了水中加工的参数，并制备了腔长不同的几种温度传感器探头。针对FBG氢气传感器，利用飞秒激光在光纤包层上加工由直槽结构和螺旋微孔结构组成的复合结构。详细探讨了复合结构的加工工艺和镀膜流程。这种复合结构能够很好地增加传感器灵敏度，膜层与光纤之间的结合力也得到了提升，通过改变直槽能量、直槽个数和微孔螺距，设计了三组不同参数下的传感器探头。（3）对法布里-珀罗干涉传感器进行温度实验，确定最佳加工参数为能量60mW、持续时间5s、光阑孔径10，证明在水中加工的传感器灵敏度具有明显的优势，在温度为50℃~500℃的区间内，腔长为100μm时的最大灵敏度为11.4pm/℃，是空气中传感器灵敏度的5倍。对光纤光栅氢气传感器的实验表明复合微结构具有较好的增敏特性，对比于单一微结构灵敏度平均有2~4倍的提升，最佳加工参数为直槽个数8、激光能量50mW、螺距60μm。

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作者
邹猛;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科仪器科学与技术
授予学位硕士
导师姓名戴玉堂;
年度 2017
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类半导体技术;金属学与热处理;
关键词
飞秒激光加工; 微结构; 光纤传感;

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