微纳光纤是指直径在微米或亚微米量级的导光纤维,具有强光场约束能力和大倏逝场特性,在光纤传感、近场光学、非线性光学、量子光学等研究领域有广泛应用。本文针对高功率激光系统对微污染物传感技术提出的特殊需求,利用微纳光纤倏逝场能量比例大且易于控制的特点,提出了基于微纳光纤倏逝场特性进行微污染物传感的方案,并开展了相应的理论和实验研究,研制出原理样机。该方案具有灵敏度高、可实时在线和准分布式测试的特点,有望成为解决该工程问题的有效方案。本文的主要研究工作及创新点:(1)研制了一套高性能微纳光纤制备平台。在理论分析微纳光纤外形结构与拉制参数之间关系的基础上,重点研究了加热区域长度、重力及导轨线性重合误差等因素对制备过程的影响,对系统各部件及组装过程提出技术要求。提出了基于预拉制获取加热长度和拉伸长度偏差,然后优化调整拉制参量的技术方案,来消除加热长度增加和拉伸长度增加所引入的微纳光纤外形结构误差,并实际制备出了符合设计要求的微纳光纤,为后续工作奠定了坚实的技术基础。(2)开展了基于微纳光纤倏逝场传感的理论研究,分别分析了颗粒污染物吸附、分子态污染物吸附和完全浸入型三种情况下,微纳光纤传输损耗的变化情况及影响因素。使用时域有限差分算法得到了不同折射率、不同直径颗粒污染物吸附与微纳光纤附加损耗的关系;讨论了工作波长和偏振状态对传感结果的影响;计算得到了微纳光纤附加损耗和吸附有机污染物薄膜厚度的关系,分析了工作波长、薄膜折射率、微纳光纤外形结构对传感结果的影响;提出并分析了基于微纳光纤衰荡腔及微纳光纤光栅进行微污染物传感的方案,计算得到了其传感灵敏度。(3)实验验证了基于微纳光纤倏逝场特性进行微污染物传感的可行性。首先分析了耦合器分束比波动、微纳光纤外形结构误差、入射光偏振态、光热效应等因素引入系统误差,提出了针对性解决方案,并应用于空气尘埃颗粒及氧化铝微颗粒测试中,验证了微纳光纤进行微颗粒传感的可行性。为进一步提高测试灵敏度,构建了微纳光纤衰荡腔结构,实现了10级脉冲输出。使用称重比较法进行微纳光纤有机污染物测试标定,两者测试结果吻合。构建了微污染物强度传感样机测试系统,通过引入参考光路、双相锁相放大、退偏、功率控制等优化方案,最终得到样机两通道的本底噪声优于0.0002 d B,动态范围大于30 d B,对应有机污染物测试分辨力为0.08 nm,最大可测有机污染物厚度为550 nm,最小可测二氧化硅颗粒直径约为300 nm,最多可测量该种颗粒150000个。样机应用于有机污染物测试实验,验证了微纳光纤测试的可重复性和响应一致性,从而进一步证明了理论推导的正确性和实际应用的可行性。(4)提出并实现了腐蚀-拉制-刻制三步法MFBG制作工艺,该方案使用商用Kr F准分子激光器及普通光敏光纤实现MFBG制作。该工艺通过先腐蚀后拉制的方法有效保留了微纳光纤的光敏性,成功实现了6μm直径MFBG的制作,反射率可达10%。使用该MFBG进行了折射率传感实验,其折射率传感灵敏度约为13.9nm/RIU(折射率1.33附近),最小可测折射率变化可达7.2×10-5(RIU)。(5)开展了基于微纳光纤的液体吸收系数传感技术研究,并提出基于微纳光纤附加损耗测量的温度传感方案。综合考虑了微纳光纤锥形区域、均匀区域共同作用,得到了微纳光纤附加损耗和液体吸收系数之间的关系。不同工作波长条件下,实验研究了浸入纯水及光纤涂料涂覆情况下,微纳光纤的附加损耗随温度变化特性,均具有良好的重复性。当微纳光纤浸入纯水,直径为1.7μm微纳光纤的温度灵敏度为-0.083 d B/℃,直径为2.4μm微纳光纤的温度灵敏度为-0.038 d B/℃,测试系统本底噪声为0.005 d B,其最小可测温度变化分别为0.06℃和0.13℃,如果使用光纤涂料涂覆2.1μm直径微纳光纤,则其最小可测温度变化可达0.012℃。