[01580494]光纤微腔流体传感系统研究及其环境监测新技术开发

本项目采用掺钛蓝宝石飞秒激光器,自行搭建位移精度为2.5μm的三维飞秒加工平台,对激光强度、功率密度、聚焦位置、物镜参数等因素对微腔写制结果的影响进行了深入探索和研究。由于飞秒激光能量在空间域呈高斯分布,且光强随传播距离的增加而衰减,使得刻蚀的微腔宽度在沿脉冲方向分布不均,故传统的平行壁法布里-珀罗干涉（FPI）和马赫-曾德干涉（MZI）光纤微腔模型已经无法准确地对飞秒加工光纤微腔进行描述。本项目结合飞秒加工实际,提出了适用于短光腔纤芯全穿透的V型FPI光纤微腔模型和适用于长光腔纤芯半穿透的U型MZI光纤微腔模型,并结合光线追迹法和耦合模理论,分别对这两种模型的反射谱和透射谱进行了理论分析与数值模拟,着重研究了U型MZI光纤微腔的腔长对折射率检测结果的影响;结果显示,合理选择微腔腔长,可以使U型MZI光纤微腔的折射率灵敏度获得较大提高。实验上,对这两种不同的光纤微腔进行干涉谱测试,得到的实验测量结果与数值模拟结果相符。分别利用V型FPI及U型MZI光纤微腔对不同浓度的气体及流体进行检测实验,得到的折射率灵敏度可达ppm量级,且较传统方法写制的光纤微腔灵敏度有一定程度的提升。 通过本项目研究,掌握了飞秒激光刻制光纤微腔方法和微腔侧面介质载入关键技术,进行了典型流体传感实验;加工出可有效用于气体、液体等环境参量传感的光纤微腔6个,制成光纤微腔器件4个,并研制出光纤微腔流体检测实验样机1台,用于项目中的流体传感检测。采用自行构建的V型和U型光纤微腔模型及其理论,对新型光纤微腔进行了结构设计、机理表征、器件研制以及传感实验等研究,取得了多项创新型研究成果。发表学术论文16篇,其中被 SCI索引11篇,EI索引5篇;出版学术著作1部;申请国家专利5项（其中发明3项,实用新型2项）,获发明专利授权1项,获实用新型专利授权2项;培养博士3名,硕士5名,高质量地完成了任务书的各项研究内容。