干涉型光纤光子器件传感特性及应用研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:super8516
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干涉型光纤光子器件作为实现光学技术应用的一种重要媒介,具有信息传输快、抗电磁干扰、低成本等诸多优点,被广泛应用在传感监测系统、通信系统、激光器等领域。本论文基于干涉型光纤光子器件传感特性的应用研究主要集中在生命体征监测和调谐滤波器两个领域。传统的生命体征监测技术主要基于压电式加速度传感、多普勒雷达、电容电极、磁阻抗传感和红外热成像法等手段,但都无法避免电磁干扰、操作复杂、设备昂贵和通电安全性等问题。另外,传统的调谐滤波器以机械调谐结构为主,其性能受限于机械调谐结构,存在调谐速度慢、精度低和重复性差等问题。本文以光纤微腔干涉仪光子器件和多模光纤干涉仪光子器件为研究对象制作干涉型光纤光子器件,从上述问题出发,结合干涉型光纤光子器件的优势,探究其在生命体征传感和全光调谐滤波器上的应用潜力。主要研究成果如下:第一,研制了一种用于人体呼吸过程监测的基于聚丙烯薄膜的光纤微腔光子器件。结合3D打印技术制备了具有可控光谱特性的螺旋式光纤微腔光子器件,基于微腔干涉理论和聚丙烯薄膜法向形变理论,阐明了新型结构器件对呼吸压的响应关系。该器件的压强响应灵敏度为-0.581 nm/Pa,将其应用在医用呼吸罩上,实验验证了该器件监测人体呼吸过程的功能。第二,研制了一种用于心率监测的基于α-氰基丙烯酸乙酯的光纤微腔光子器件。基于微腔干涉理论和线性悬梁挠度理论,阐明了新型结构器件对心率低频震动的响应关系。该器件的应力灵敏度为2.57 pm/μN,将其贴附于手腕、胸部和颈部处,实验验证了该器件监测人体心率的功能。第三,研制了一款基于多模光纤干涉仪的网格结构面型光纤光子器件,并用于动物睡眠连续监测。基于光纤多模干涉和多点传递理论,阐明了新型网状结构器件对睡眠中体动的响应关系。实验测得在波长1540 nm、1550 nm和1560nm附近,器件对应的应力灵敏度分别为-11.2 pm/Pa、-9.7 pm/Pa和-8.3 pm/Pa。利用该器件对狗进行了一周的睡眠监测,验证了该器件连续监测动物睡眠的功能。最后,研制了一种基于石墨烯反射镜的全光调谐光纤微腔滤波器。在980nm激光波长下,滤波器传输光谱发生蓝移,调谐斜率可达-103.69 pm/mW,波长调谐范围可达8.30 nm。在此基础上,利用石墨烯/环氧树脂(GN/EP)新型复合材料优化制作了GN/EP-空气-GN/EP复合微腔滤波器和GN/EP实心微腔滤波器,在理论和实验上对滤波器的光调谐特性进行了分析,实验测得在980 nm激光波长下,两款滤波器调谐斜率分别为-352 pm/mW和-840 pm/mW,波长调谐范围分别可达11.03 nm和25.54 nm。
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