镀高折射率纳米薄膜长周期光纤光栅传感特性研究

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1、２９单位代号１的８０中图分类号！ＴＮ：：１１８２０１２１密级：学号上洛大唉ｉ博±学位论文ＳＨＡＮＧＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＤＯＣＴＯＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ题渡高折射率纳米巧膜长周期光纤Ｉ目光栅传感特性研究Ｉ作者邹芳；学科专业通信与信息系统导师刘云启教授陽’完成日期２０１６年４月，品祕１：譯碱崖ｉ＆Ｂｌ上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学博±学位论文质量要求。答辩委员会签名：主佑於據心為杉和哼斯畫禾委员；老如韻伽１础＾研拉旬说游梭咎馬巧、著ｆｅｉ＾＆ｉ少译碱咚导

2、师：可）考為答辩日期｜Ｕ．：＞フ原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加ＵＵ示注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果…。参与同工作的其他同志对本研究所做的任何贡献巧已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名飞．７：＾％Ｂ期：又八本论文使用授权说明巨本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，Ｐ；学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可臥公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）；导师雜名７签名＾＾＝曰期；＞狂上海大学工学博士

3、学位论文镀高折射率纳米薄膜长周期光纤光栅传感特性研究姓名：邹芳导师：刘云启教授学科专业：通信与信息系统学位：工学博士上海大学通信与信息工程学院二〇一六年四月VADissertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofDoctorinEngineeringResearchonsensingcharacteristicsoflong-periodfibergratingcoatedwithhighindexnano-filmCandidate：FangZouSupervisor：ProfessorYunqiLiuMajor：Communicat

4、ionandInformationSystemDegree:DoctorofEngineeringSchoolofCommunicationandInformationEngineeringShanghaiUniversityAPRIL2016VII上海大学博士学位论文摘要长周期光纤光栅(Longperiodfibergrating,LPFG)是一种重要的光纤器件，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等诸多优点，在现代光纤通信与传感领域发挥着重要的作用。LPFG对多种环境参量，如温度、应力、应变等敏感，尤其是对外界环境折射率(surroundingrefractiveindex,SRI)敏感，能够实

5、现实时、远距离、恶劣环境下的多种参数传感，使得其在环境监测、生物医学、石油化工等众多行业应用中具有不可替代的地位。提高LPFG的传感灵敏度、拓展其应用范围、消除交叉敏感是近年来LPFG领域的研究热点。本文采用原子层沉积技术(atomiclayerdeposition,ALD)将高折射率Al2O3、TiO2纳米薄膜镀在LPFG表面，制备出高灵敏度的折射率、温度传感器;利用级联的镀膜LPFG结构实现了对环境折射率和温度的同时测量。主要研究内容和成果包括以下方面：1、建立四层圆柱形波导模型，利用耦合模理论，采用矢量模分析法对镀高折射率纳米薄膜的LPFG进行了理论研究。讨论了镀膜LPFG对薄膜厚度、薄

6、膜折射率、外界环境折射率的敏感特性。利用模式转换理论对镀膜LPFG增敏机制进行了详细的分析。2、采用ALD技术在LPFG表面镀高折射率Al2O3、TiO2纳米薄膜。通过实验研究了不同薄膜参数条件下，硼锗共掺的光纤上写入的LPFG对SRI的敏感特性。结果表明：镀35nmTiO2薄膜的LPFGHE1,14模式在转换区内，SRI灵敏度达到-5000nm/RIU，比裸LPFG提高了5倍。镀100nmAl2O3薄膜的LPFGHE1,14模式在转换区内，SRI灵敏度达到-3000nm/RIU，是裸LPFG的3倍。借助可调谐激光器和红外CCD摄像机，首次在实验中观察到了镀膜LPFG的包层模式转换现象。首次对

7、镀膜过耦合LPFG的折射率敏感特性进行了研究。在环境折射率变化过程中，镀膜过耦合LPFG的对比度始终高于普通LPFG，这对于提高LPFG传感准确度具有重要意义。在锥形光纤上制备了LPFG，并镀Al2O3薄膜，与相同光栅参数、相同包层模式阶次的普通LPFG相比，镀膜锥形LPFG的SRI灵敏度提高了一个数量级。实验结果表明：拉锥与镀膜这两种工艺均能IX上海大学博士学位论文够有效的提高LPFG的SRI灵