（光学专业论文）光纤腔衰荡系统及其在流体传感中的应用.pdf

摘要 摘要 文章简要介绍了腔衰荡光谱技术的产生和发展；概述了光纤腔衰荡光谱技 术的产生及发展过程；总结并分析了三种不同的系统结构：光纤表面涂敷的光 纤腔衰荡光谱结构、布拉格光栅对腔衰荡光谱结构以及光纤环衰荡光谱结构。 介绍了腔衰荡系统的应用领域及研究意义。本文主要研究工作及研究成果如下： 1 详细阐述腔衰荡光谱的系统结构，并细致分析了基于光纤的腔衰荡光谱 不同结构的原理。推导了传感系统中的损耗、器件选择对输出衰荡曲线的变化 关系。 2 基于光纤耦合模理论，阐释了倏逝波的原理，详细分析了倏逝波传输特 性，推导出倏逝波强度随透射深度的变化规律关系。对倏逝波传感进行了研究， 得到倏逝波随外界折射率的改变和光纤包层的改变的变化规律。将倏逝波原理 与光纤环衰荡光谱系统相结合，合作设计并制作出倏逝波传感器件，将其接入 光纤环系统中进行折射率传感检测，得到外界折射率改变与系统衰荡谱变化的 关系曲线。 3 阐述了飞秒激光精细加工原理及分类，介绍了飞秒激光微加工技术及应 用。设计并合作构建了飞秒激光刻蚀光纤微腔系统，利用该系统在单模光纤上 成功刻蚀出光纤微腔，该光纤微腔呈现明显f p 干涉谱。 4 将光纤微腔应用于微流体折射率检测。通过对光纤微腔经h f 腐蚀等处 理后，进一步减小了光损耗。将处理后的光纤微腔接入光纤环衰荡腔系统中， 实现了微流体的高灵敏度传感。 5 根据光纤环衰荡腔结构及原理，提出了光纤环衰荡腔系统三方面优化设 计方案：即系统中引入放大单元，使用皮秒脉冲光源，将空心光子带隙光纤应 用于光纤环衰荡腔系统。 关键词：腔衰荡光谱光纤环倏逝波飞秒激光蚀刻光纤微腔流体传感 a b s t r a c t ab s t r a c t t h j st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to fc a v i t yr i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ( c r d s ) ，a n dt h e nc o m e st ot h ef i b e r - b a s e dc r d st e c h n i q u e t h r e em a j o rs e t u p so ff i b e r - b a s e dc a v i t y 鼬n gd o w ns p e c t r o s c o p ya l ei l l u s t r a t e di n t h i st h e s i s ：f i b e re n d sp o l i s h e da n dm e m b r a n ep l a t e dc a v i t y , r e f l e c t i o np e a km a t c h e d f i b e rb r a g gg r a t i n g sc a v i t y , a n df i b e r - l o o pr i n gd o w nc a v i t y t h ea p p l i c a t i o n sa sw e l l a st h es i g n i f i c a n c eo fc a v i t y 雕n gd o w ns p e c t r o s c o p yi sa l s op r e s e n t e d t h em a j o r r e s e a r c hw o r ki ss h o w na sf o l l o w e d ： 1 ms c h e m e so ff i b e r - b a s e dc a v i t yr i n gd o w ns p e c t r o s c o p ya r es h o w n ，a n d t h ep r i n c i p l eo fe a c hs c h e m ei sf u l l yd i s c u s s e d t h ed e p e n d e n c eo fs y s t e m a t i cl o s so f c r d ss y s t e mt ot h ed e v i c e sa n dt h es e n s i n gp r o b ei sa l s od e r i v e di nt h et h e s i s 2 a c c o r d i n gt ot h ee v a n e s c e n tw a v ea b s o r p t i o nt h e o r y , w ed ot h ei n v e s t i g a t i o n o nt h eo p t i c - f i b e rs e n s o rb a s e do nt h ec a v i t yr i n g d o w n s p e c t r o s c o p y f r o mt h e e x p e r i m e n t a ld a t ao ft h er i n g d o w nt i m e sb yd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o n s ， t h er e l a t i o n s h i po ft h er e f r a c t i v ei n d e xo fs u r r o u n d i n g sa n dl o s s e so f c a v i t yr i n g d o w n s y s t e mc a nb ec a l c u l a t e d t h em a g n i t u d ep r o f i l eo ft h el o s sa td i f f e r e n tr e f r a c t i v e i n d e xs o l u t i o ni sas e c o n do r d e re x p o n e n t i a lc u r v e s ow ec a l lg e tt h es u r r o u n d i n g r e f r a c t i v ei n d e xb ym e a s u r e m e n to ft h er i n g d o w nt i m e s 3 t or e a l i z et h es e n s i n gp r o b eo fl i q u i da n dg a so nm i c r o - s c a l ei nf i b e rc a v i t y r i n g - d o w ns p e c t r o s c o p ys y s t e m ，an e wm e t h o do ff a b r i c a t i n gm i c r o f l u i d i cs e n s i n g d e v i c e si sp r o p o s e d w ee x p e r i m e n t a l l ya c h i e v et h em i c r o c a v i t yo ns i n g l em o d e 9 8 0 n ma n d15 5 0 n mf i b e r sb yd i r e c t w r i t i n gw i t haf o c u s e d n e a r - i r8 0 0 r i m f e m t o s e c o n dl a s e rb e a m i nt h i sw a y , t h em i c r of a b r y - p e r o tc a v i t yi sf o r m e d ，a n dt h e i n t e r f e r e n c es p e c t r u mc a l lb ed e t e c t e d 4 a p p l yt h em i c r oc a v i t yt of i b e r - l o o pr i n gd o w ns p e c t r o s c o p y b yh fe t c h e d p r o c e s so ft h em i c r o c a v i t y , i t sl o s sc a l lb el e s st h e nld b t h e nt h ec a v i t yc a r lb e a p p l i e di n t of i b e r - l o o pr i n g d o w n ( f l r d ) s p e c t r o s c o p y , r e a l i z i n gg a sa n df l u i d i c a b s o r p t i o nm e a s u r e m e n to nm i c r o s c a l e 5 s y s t e m a t i c a l l yo p t i m i z a t i o n o ff i b e r - l o o p r i n gd o w ns p e c t r o s c o p y i s d e m o n s t r a t e d m e a n w h i l e ，t h ec o m b i n a t i o no ff i b e r - l o o p r i n gd o w ns p e c t r o s c o p y w i t hp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r si sa l s of o r e c a s t e dt or e a l i z em i c r o - f l u i d i cs e n s i n g 、i t h u l t r ah i g hs e n s i t i v i t y k e yw o r d s ：c a v i t yr i n gd o w ns p e c t r o s c o p yf i b e r - l o o pe v a n e s c e n tw a v e f e m t o s e c o n dl a s e rp r o c e s sf i b e r m i c r o - c a v i t y f l u i d i cs e n s i n g i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注： 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创l 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章引言 第一章引言 气相分子或原子的直接光谱吸收检测方法，是一种探测样本中某成分的绝 对浓度以及与频率相关的绝对吸收面的方法，在分析化学以及物理化学中有很 重要的应用。腔衰荡光谱技术所得测量值是一个实际值，而非相对值，因此这 项技术在激光诊断技术广泛应用的今天仍然得到了更新的应用。在各种直接吸 收检测技术中，腔衰荡技术因其具有高灵敏度以及相对简单的试验装置脱颖而 出。 传统的吸收检测技术通常测量光束透过样本后的光强度。对于单色光源( 比 如激光) ，通过记录透射光强随频率变化的函数得到样本的吸收谱。当宽带光源 经样本后发生谱色散，可以考虑应用宽带光源进行探测。直接光谱吸收法的一 个主要缺点在于其灵敏度。通过调制和增加吸收光程长的方法可以增加直接光 谱吸收法的灵敏度。同样也可以应用基于探测光吸收所伴随的各种现象而设计 的试验装置进行探测，如光声光谱学中的压强变化，激光感生荧光( l i f ) 技术 中的产生的荧光，共振增强多光子电离( r e m p i ) 技术中产生的离子等。但是 这些方法定标过程比较困难，很难实现绝对值的测量。 腔衰荡技术，测量光学腔中光脉冲的吸收速率而非光强度，因此具有很高 的探测灵敏度。首先将样本放入由两个高反射率镜所组成的光学腔，随即超短 光脉冲耦合入光腔，光脉冲在腔中来回反射，每次光脉冲被反射镜反射时，都 有少部分光从腔中泄露出来。因此无需测量腔内光脉冲的强度，仅测量从光学 腔中泄露出来少部分光与时间的关系即可。因此，这种方法能够测出光强的吸 收率，样本吸收越强，所测得衰荡时间越短。这种方法有几个优点： 1 与传统吸收光谱检测技术测量光输出强度来测定待测物质吸收谱线的 方法不同，腔衰荡光谱吸收检测技术通过测量输出光脉冲序列的衰减，得出脉 冲序列衰荡时间参数，所得衰荡时间参数与光源输出脉冲强度无关。因此，腔 衰荡光谱系统对光源输出脉冲的稳定度要求很低。 2 腔衰荡光谱技术的有效吸收光程长与反射镜的反射率有关，即使待测样 本含量很少，也可以通过由高反射率镜组成的衰荡腔来延长系统有效吸收光程 ( 可达几公里) 。与其他高灵敏吸收技术相比( 尤其是基于调制机制的技术) ， c r d s 技术还具有测量值为绝对值的优点，无须定标。 第一章引言 此外，由于其结构简单，实验装置易于实现等优点，c r d s 技术吸引了研究 人员的广泛关注。 第一节腔衰荡光谱研究简介 1 1 1c r d s 技术的产生及发展 腔衰荡光谱检测技术是一种吸收探测技术，可以应用脉冲、连续光作为光 源，并且较其它直接吸收检测技术具有更高的灵敏度。腔衰荡光谱检测技术是 一种基于吸收速率的测量技术，较其它检测技术，腔衰荡光谱检测的优点主要 体现在： 1 系统本身对光源输出光强度的波动不敏感； 2 通过构建稳定的光吸收腔，可获得较长的有效光程，增加系统灵敏度。 在二十世纪九十年代，腔衰荡谱检测技术在探测样本中的强吸收物质，以 及探测样本中的大量弱吸收成分中发挥了重要作用。 c r d s 技术最早应用于测量具有高反射率镜片的反射率上。1 9 7 4 年，k a s t l e r t l j 证明了激光通过光学腔后透射光强会呈e 指数衰荡。他提出衰荡时间常数由腔内 损耗的大小而决定。然而其研究未能更进一步，因为在那个年代镀膜技术还未 出现，c r d s 技术所必需的高反射镜很难实现。二十世纪八十年代，h e r b e l i n 和 a n d e r s o n 等人 2 1 的研究成果被看作是c r d s 技术的雏形。1 9 8 0 年，h e r b e l i n 等 人首次提出通过测量光学谐振腔衰荡时间f ，可以测得镜片的反射率。他们指出： 采用连续光源进行强度调制，测量调制光通过光学腔所引入的相位差，能够准 确测量具有高反射率镜子的反射率。同时，h e r b e l i n 大胆预言此系统在气相吸收 检测研究和强电磁场下光学透明物质的研究领域具有光明的前景。1 9 8 4 年， a n d e r s o n 等人 3 1 提出，当腔内模场超过某一域值时，将连续光源突然关掉，随后 记录光学腔内光强度衰减的方法。文中提到用连续的h e - n e 激光器激发光学谐 振腔，激光器通过p o k e l 腔和模式匹配棱镜与光学谐振腔相连。当足够的光注入 衰荡腔，由反射镜透射的少部分光可以被光电探测器感测时，通过p o k e l 腔将入 射光关掉，随后探测衰荡时间常数。 19 8 8 年，o k e e f e 和d e a c o n 4 1 第一个将c r d s 应用到光谱检测技术中，他 们提出模式匹配的问题可以通过使用脉冲激光器予以解决。此外，由于脉冲本 身的特性，在探测衰荡之前，无需电子装置探测腔内光功率或关掉激光光源， 2 第一章引言 因此，文章中提出了一种结构简单的测量强损耗的实验装置。1 9 8 8 年，o k e e f e 等人在实验中通过记录氧分子6 罗：p = l ，2 ) 4 - - x ：= 0 ) 弱吸收带的吸收谱 线，证明了c r d s 技术所具有的高灵敏度。脉冲光c r d s 技术作为一种高灵敏 度的检测技术在随后有了很快的发展。 二十世纪九十年代，众多研究机构对腔衰荡光谱技术进行了研究 5 1 。其中， 主要研究内容包括傅立叶变换脉冲衰荡腔光谱技术 6 1 、偏振脉冲衰荡腔光谱技术 7 1 等。由于脉冲衰荡腔光谱技术装置简单，这项技术经过2 0 年发展，已经成为 化学检测及光谱探测领域的一项重要技术手段。 1 1 2 传统的c r d s 系统结构 在传统c r d s 探测中，一个强度为i ( v ) 的光脉冲，( 脉冲宽度小于c r d s 衰 荡时间) ，耦合迸两个具有高反射率的反射镜组成的非共焦光学腔中，光脉冲在 腔内来回反射，光每经过镜子反射后，少部分光从腔内泄漏出去，因此腔内的 光会随时间衰落，可以通过测量泄漏光的变化探测腔内光强随时间的变化关系。 在一个空腔内，衰荡函数是一个时间的单p 指数函数。其衰荡时间f ( d ) 由 镜子的反射率r ( v ) 以及腔内两镜子间光程长d 来决定。当在腔内引入吸收介质， 吸收介质将引入额外的损耗。 在c r d s 系统中，镜子的反射率通常为o 9 9 甚至更高。c r d s 系统对波长 没有限制，只要镜子的反射率足够高，探测器速率足够快。典型的c r d s 系统 装置如图1 1 所示。 图1 1 腔衰荡光谱技术结构示意图 从图中可以看出，腔衰荡光谱系统实验装置非常简单，只需一个脉冲光源， 3 第一章引言 一对具有高反射率的反射镜，高速探测器及模数转换器，以及电脑进行数据处 理。根据实验的要求，根据不同的波长区域，选择合适的器件。 在可见光区域，c r d s 系统通常选用脉冲染料激光器【8 1 ( 脉冲宽度典型值介于 5 1 5 n s 之间) 。在此波段内，高反射率镜子也很普遍( 0 9 9 9 0 9 9 9 9 9 9 ) ，可以使用 光电倍增管对泄漏光进行探测。在紫外波段，可以通过对可见光进行拉曼位移 而得到可调紫外光脉冲。紫外波段较可见光波段，得到相同高反射镜更加困难( 通 常为0 9 9 0 9 9 9 ) 。在探测端，仍然可以通过光电倍增管进行探测。在红外波段， 使用二氧化碳激光器，光学参数振荡器等获得红外光脉冲。在近红外区域，可 以获得与可见光区域相比拟的高反射镜，然而在远红外波段，反射镜很难达到 极高的反射率( 例如在1 0 u m 处，镜子的反射率为0 9 9 9 ) 。 衰荡腔由两个相同的平凹透镜组成，反射镜曲率半径通常介于2 5 1 0 0 m 之 间。通常，将腔长控制在0 d ，或者， d 2 r ，从而得到一个稳定的光学腔， 腔长通常介于3 c m 至2 7 0 c m 9 ， 1 0 】不等。 第二节光纤c r d s 技术的产生和发展 1 2 1 光纤c r d s 技术的产生 2 0 0 1 年gs t e w a r t 等人第一次应用普通光纤器件搭建具有增益控制的衰 荡腔系统如图1 2 所示。 图1 2s t e w a r t 等人于2 0 0 1 年提出的光纤环衰荡腔系统示意图 4 第一章引言 该文讨论了系统的灵敏度，增益控制等问题，提出了此系统可以应用于探 测近红外波段具有强吸收峰的气体，如c o ，c 0 2 ，h 2 s ，c 2 h e 等。该文作者将 光纤衰荡腔系统与传统高反射镜搭建的c r d s 系统进行比较，指出： 1 光纤衰荡腔技术具有更长的r d t ； 2 当c r d s 系统的光源为连续光时，由于光纤衰荡腔的腔长较传统高反射 镜衰荡腔长上百倍，因此较好解决以往的模式匹配问题。 gs t e w a r t 等人使用自聚焦透镜形成光学微腔并用于传感，指出微腔的插入 损耗约为l d b 。他们还提出使用可调谐脉冲激光器，可进行多组分气体高灵敏度 吸收探测的设想。 光纤衰荡光谱技术不仅继承了传统衰荡光谱技术的优点，而且具有结构更 加简单，易于同其他光纤器件耦合，传输损耗更低，实用性更高等优点，因此 吸引了众多课题组的研究兴趣。 1 2 2 光纤c r d s 系统构成 1 2 2 1 光纤端面高反射率涂覆的光纤衰荡腔 2 0 0 2 年，t v o l ll e r b e r 和m ws i 西s t 1 2 】提出了一种基于光纤端面涂覆的 c r d s 系统结构，系统如图1 3 所示。l e r b e r 等人在光纤端面用f c p c 进行连接， 并在f c p c 连接器的端面直接沉积高反射率涂层，如图1 4 所示，形成一个无源 光纤谐振腔。文章中之所以选择f c p c 连接器是因为连接器的端面一经涂敷， 可以提供很高的后向反射。作者不选择在光纤端面直接沉积，而选择在f c p c 连接器端面上进行沉积，主要考虑以下两点： 1 单根光纤很脆弱，容易损坏，但接上f c p c 连接器后，光纤及其端面就 能够得到很好的保护； 2 使用f c p c 连接器易于光纤的耦合。将自由空间的光束耦合进光纤较为 困难，而应用光纤耦合器进行连接更加省时省力。光纤谐振腔经f c 与光纤 跳线进行连接，并在连接处加入折射率匹配液，确保连接点的折射率为1 4 7 ， 从而保证较高的耦合效率。 5 第一章引言 ( a )( b ) 图1 3t v o l l l e r b e r 小组光纤c r d s 系统 图1 3 a 光纤c r d s 系统示意图图1 3 b 光纤端面涂敖示意图 在图1 3 a 中，使用了e c d l 光源，波长范围为1 5 0 5 1 5 8 5 n m ，精细调节范 围7 0 g h z ，系统中激光器的输出波长为1 5 5 0 n m ，进行波长调制( a o = 1 g h z ) 。激 光经偏振控制器耦合进衰荡腔，输出端使用i n g a a s 光电二级管进行光电转换， 光电流经跨阻抗放大器进行放大后信号进入示波器并经g p i b 进入电脑进行数 据处理。该文作者将这套系统应用于倏逝场吸收传感，并进行了光纤弯曲损耗 测量，获得了高达4 6 8 木1 0 4 d b 的灵敏度。 1 2 2 2 光纤布拉格光栅对衰荡腔 2 0 0 2 年，m g u p t a 等人【1 3 1 提出了用光纤布拉格光栅作为高反射镜形成衰荡 腔的新结构，如图1 4 所示。 f b g lf b g 2 图1 4 光纤布拉格光栅衰荡腔结构示意图 文中作者分别使用掺锗的光敏光纤以及载氢的普通单模光纤经紫外曝光法 写制布拉格光栅。使用光敏光纤写制的布拉格光栅对构成衰荡腔，由于光敏光 纤对光有较强的吸收作用，因此当衰荡腔长较长，系统损耗增大( 腔长1 m 时， 损耗约为2 3 ) 。这个问题可以通过在载氢的单模光纤上写制布拉格光栅对组成 衰荡腔的方法予以解决。由于光栅在普通单模光纤上写制，其传输损耗很小， 6 第一章引言 通常 毛细管，光纤十字接头 ( 0 “嫩用发丝制作的光纤微腔 图1 7 ( a ) 中，经过加工的光纤对光有更好的汇聚作用，可| ；【使光更好的耦合 进另一段光纤。与此同时，他1 1 1 ) , i 作了毛细管光纤十字接头，如图1 7 0 ) 所示。 他们在毛细管上钻一个直径为1 5 0 u r n 的微通道，随后将两段光纤插入微通道中， 插入的两光纤端面( 其中一个光纤端面做电弧放电处理) 问留出液体流动的微通 道，最后用p m m a 进行固定封装。此外，该小组用发丝形成了4 7 呲的微吸收腔， 如图1 7 ( c ) ( d b 实现了对础量级液体的吸收测量。同时，rk l i 与h el o o c k 等 人口”先后利用毛细管电泳和液相色谱仪的分离时间不同，将混合物中的三种不 同物质在时域上分离，再用f l r d 技术实时的标定人类血液蛋白( h s a ) 样品， 如图i8 所示。 孕 0 吣 甜 第一章引言 i r 一l 一。一，一 i：； 图1 8 相移光纤环衰荡光谱结构示意图 这表明腔衰荡光谱技术在生物医学方面具有极好的应用前景。随后于2 0 0 7 年，该小组提出了将皮秒脉冲光源应用于光纤环衰荡腔系统中o ”，从而进一步 提高系统的灵敏度。 除了在光纤环中引入微流体器件进行吸收光谱检测，也可在腔内引入对外界 折射率敏感的长周期光栅进行折射率传感测量。2 0 0 8 年，nn i 瞄1 将长周期光纤 光栅接入光纤环衰荡腔中，利用其对外界环境的敏感性进行折射率传感研宄， 如图1 9 所示。 m ” i 、， u 1 。w 图1 9 在光纤环系统中引入长周期光纤光栅进行折射率传感 为进一步增加传感器的精确度，该小组在光纤环传感系统内加入了l m s 可 调谐滤波器吲，从而很好的抑制了光纤环内接入掺铒放大器后引入的自发增益 噪声。同时，该小组应用光纤环腔衰荡光谱系统，进行了高灵敏度压力传感检 1 0 第一章引言 测1 2 4 1 。光纤环衰荡腔光谱技术与传统腔衰荡光谱技术相比，不仅可以应用于液 体吸收及折射率传感，该系统在其他物理量传感测量中，如压力，侧向压力等， 同样具有广阔前景。 第三节论文主要研究内容及创新点 对传统腔吸收光谱检测技术与光纤腔衰荡光谱技术进行比较，发现光纤腔 衰荡光谱测量技术通过与光纤器件的结合，使衰荡腔技术突破了原有吸收光谱 测量领域，延伸到光纤传感领域。因此，作为一种新型吸收光谱及传感检测技 术，光纤腔衰荡光谱技术具有很大的发展潜力和应用价值，已成为相关领域的 研究热点。 1 3 1 论文主要研究内容 本文的研究内容及相关工作，是在国家自然科学基金项目“用于流体微量 成分高灵敏度在线监测的光纤c r d s 传感系统研究”( 1 0 6 7 4 0 7 5 ) 、“微结构光纤 多维传感的理论和实验研究”( 6 0 5 7 7 0 1 8 ) ，国家8 6 3 项目“多维多参量光纤光 栅无线传感器网络系统研究( 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 7 ) ”的支持和资助下完成的。主要 做了以下几方面的研究工作： 1 介绍传统腔衰荡光谱技术和基于光纤的腔衰荡光谱系统的发展历程及 研究意义。与传统腔衰荡光谱系统相比，分析了光纤腔衰荡光谱的优点。介绍 了基于光纤的腔衰荡光谱系统的不同结构并分析了不同结构的特点，并介绍了 光纤腔衰荡光谱系统在光纤传感领域的典型应用。 2 详细介绍腔衰荡光谱的系统结构，细致阐述了基于光纤的腔衰荡光谱不 同结构的传感机理。详细分析了系统中的损耗，器件选择对输出衰荡曲线的变 化。 3 基于光纤耦合模理论，阐释了倏逝波的原理，详细分析了倏逝波传输特 性，推导出倏逝波强度随透射深度的变化规律关系。对倏逝波传感进行了研究， 得到倏逝波随外界折射率的变化以及光纤包层的改变的变化规律。将倏逝波原 理与光纤环衰荡光谱系统相结合，合作设计并制作出倏逝波传感器件，将其接 入光纤环系统中进行折射率传感检测，得到外界折射率与系统衰荡谱变化的关 系曲线。 1 1 第一章引言 4 阐述了飞秒激光精细加工原理及分类，介绍了飞秒激光微加工技术及应 用。设计并合作构建了飞秒激光刻蚀光纤微腔系统，利用该系统在单模光纤上 成功刻蚀出光纤微腔，该光纤微腔呈现明显f p 干涉谱。将光纤微腔应用于微流 体折射率检测。通过对光纤微腔经h f 腐蚀等处理后，进一步减小了光损耗。将 处理后的光纤微腔接入光纤环衰荡腔系统中，实现微流体的高灵敏度传感。 5 根据光纤环衰荡腔结构及原理，提出了针对光纤环衰荡腔系统的优化设 计方案：为了减小系统中外接入腔引入的损耗，系统中引入放大单元，并针对 放大单元进行设计；为了进一步提高系统的灵敏度，可以使用皮秒脉冲光源， 使得光脉冲在光纤环中可以经历更多的圈数，从而产生更多的脉冲序列：实现 微流体传感单元，将空心光子带隙光纤应用于光纤环衰荡腔系统中。 1 3 2 研究工作的创新点 1 根据倏逝波传感理论，使用氢氟酸腐蚀法，合作设计制作出倏逝波传感 器件。将制作出的传感单元接入光纤环系统中进行折射率传感测量，获得外界 折射率改变与系统衰荡谱变化关系曲线。 2 提出使用飞秒激光微加工技术刻蚀光纤微腔的构想。设计并实现了适于 光纤的飞秒激光微加工系统光路，利用该系统在单模光纤上成功刻蚀出微腔。 3 对飞秒激光微加工的光纤微腔进行分析，得到了明显的f p 干涉谱。制 作的f p 腔可以应用于微流体折射率检测。 4 提出将通过h f 腐蚀等方法处理后的光纤微腔引入光纤环衰荡腔系统 中，实现了微流体的高灵敏度感测。 1 2 第二章光纤腔衰荡系统传感理论 第二章光纤腔衰荡系统传感理论 腔衰荡光谱技术经过近2 0 年的发展，已经成为物质吸收光谱测量的重要手 段。本章将针对腔衰荡光谱不同结构进行原理分析，阐述其吸收测量机制。本 章着重对光纤腔衰荡光谱技术系统原理，及影响系统测量结果的因素进行分析。 第一节c r d s 衰荡光谱技术原理 2 1 1 反射镜组成的腔衰荡光谱原理 腔衰荡光谱技术的原理是测量光学谐振腔内光强的衰减率。从激光器中发 出的光注入到衰荡腔中，在腔内来回反射，透射光随时间呈p 指数衰减，衰减率 与衰荡腔内损耗成正比。光在腔内每往返一次，都要被透镜反射、折射，因此 可以通过在镜子后面放置光电探测器来探测从腔内泄露出的光。通过测量衰减 常数，也称衰荡时间f ( 与入射波长相关的函数) ，得到腔损耗谱。实验中，首 先需要测量空腔的损耗，再根据样本的特征吸收谱，选择合适的波长，在腔内 充入样本，测量系统损耗，计算充入样本前后损耗的差值，即可得到样本的绝 对吸收常数口。若己知样本吸收截面、吸收谱线，即可计算出样本浓度。 腔衰荡光谱系统如图2 1 所示。 h i g hr e f l e c t i v i t ym i r r o r s ： c a v i t y s a m p l ec h a m b e r 图2 1c r d s 系统示意图 1 3 第二章光纤腔衰荡系统传感理论 如图2 1 ，可以将衰荡腔透射光强表示为： ，( f ，五) = i o e 。厅( 五 ( 2 1 ) 其中厶表示入射光强，f ( 表示衰荡时间，r ( a ) = l r ( 2 ) 表示衰荡率，与 腔内损耗相关。可以将腔内损耗表示为散射损耗，传输损耗与样本吸收损耗之 和，即k ( 名) = k ( 五) + k ( 名) + 彳( 五) 。其中吸收损耗彳( 见) 还可以进一步表示 成么( 五) = 口( 五) 乙。 因此衰荡率可以改写为 蹦期= 去= 半= 半c 其中表示光在腔内往返一次所需时间，c 表示光速，k ( 元) 表示空腔内 的散射损耗，k ( 五) 表示反射镜的透射率，有效光程长可表示为0 = c 百。系统 中用到镜子的反射率通常高于9 9 9 9 ，且散射损耗小于0 0 0 1 。系统有效光程 长增加了上万倍。因此，从有效光程长这一参数看，c r d s 光谱技术具有更高的 灵敏度。 从( 2 2 ) 式中，通过将空腔( c = 0 ) 与腔内装入样本后所测得的谱相减，进 而得到样本浓度c ： c = c s ( 五) 】1 尺( 兄，c ) 一r ( 五，0 ) 】( 2 3 ) 由( 2 3 ) 式可以看出，c r d s 测量技术既不依赖于入射光强( 保证满足接收端的信 噪比即可) ，也不依赖于样本的物理光程长。c r d s 技术可以应用窄带宽光源， 从而达到很高的谱分辨率。 2 1 2 光纤光栅对c r d s 技术原理 传统c r d s 技术是应用具有极高反射率的镜子组成谐振腔，从而对谐振腔 内样本的吸收进行检测。光纤光栅c r d s 技术是通过一对匹配的光纤b r a g g 光 栅对构成高精度光纤腔，将传感单元包含入光纤腔中，从而通过测量泄露出光 纤腔的光脉冲变化趋势，探测光纤腔内的损耗。 众所周知，高精度光学腔会增强吸收损耗的测量精度。对于不同的样本， 当样本吸收损耗很小，吸收损耗的微小变化可以表示为 世i = g a( 2 4 ) 1 4 第二章光纤腔衰荡系统传感理论 其中g = r ( 1 一只) ，a = ( 1 一p 。毗) 。由上式可以看出，损耗的大小与吸收有关， 要测得系统损耗，必须已知镜子的反射率尺。对于一个f p 腔，腔的精度决定腔 的损耗，并且峰值透射率可以确定系统损耗。 在c r d s 系统中，光输入腔内，随后从腔内泄露的光被探测，得出p 指数 衰减曲线，通过衰荡时间r 的测量，可以得到腔内的总损耗，当吸收非常 微弱( a k t q ，流过负载电阻墨的电流为： i l = ip + i d q 5 输出电压为 u o = 一l 吃 ( 2 5 1 ) 3 1 第二章光纤腔衰荡系统传感理论 反向电路输出特性曲线如图2 1 5 所示。 0u 图2 1 5 反向偏置电路输出特性曲线 由曲线可以看出，反向偏置电路输出电压的动态范围取决于电源电压。与 负载电阻吃，电流厶的动态范围也与负载电阻吃有关。通过设计吃，可以获得 所需要的电流电压动态范围。图中q 为静态工作点。 由( 2 5 1 ) 得出反向偏置电路的输出电流与入射辐射量的关系 l ：名竽啊+ 厶 ( 2 5 2 ) “ 加 岛“ “ 、7 当暗电流很小，可以忽略不计，经简化，可以得到反向偏置电路输出电压 与入射辐射量的关系 吮= 一也罂啊 ( 2 5 3 ) ，z c 输出电压信号为 a u = 一r _ r q ) , 啊 ( 2 5 4 ) ，圮 上式表明，反向偏置电路输出信号电压u 与入射辐射量变化成正比，变化方向 相反，输出电压随入射辐射量增加而减小。 在光纤环衰荡腔系统搭建中，应用光电探测器反向偏置电路对光电二极管 进行放大。 3 2 第二章光纤腔衰荡系统传感理论 本章小结 本章首先分析了传统腔衰荡吸收光谱检测系统，推导出待测物质吸收与系 统输出衰荡谱的关系。将传统腔衰荡系统原理延伸至基于光纤的腔衰荡光谱结 构中，详细分析了三种基于光纤的腔衰荡光谱结构：光纤表面涂敷的光纤腔衰 荡光谱结构、布拉格光栅对腔衰荡光谱结构以及光纤环衰荡光谱结构。以光纤 环衰荡系统为重点，推导了衰荡时间与系统损耗的关系，并进一步对产生系统 损耗的各种因素进行分析，为传感实验搭建平台提供理论基础。 针对实验系统搭建中的超短脉冲发生模块和信号探测模块进行了详细介 绍。阐述了超短脉冲产生机制，以及探测器工作原理，为光纤环衰荡腔系统平 台的搭建提供了理论依据。 3 3 第三章倏逝波传感原理及其在光纤环衰荡腔流体传感中的应用 第三章倏逝波传感及其在光纤环衰荡腔流体传感中的应用 倏逝波传感机制被广泛的应用于光纤折射率传感测量中。本章在对倏逝波 传感机制详细介绍及系统理论分析后，将倏逝波传感原理应用于光纤环衰荡谱 技术中，进行高灵敏度折射率传感测量。 第一节倏逝波传感器原理 3 1 1 倏逝波原理 在有两种介质的系统中，其折射率分别为、惕，且码 ，2 2 。当一束光从啊 介质入射到两介质分界平面时，一般会在强介质中存在反射光束，在嘞介质中 会存在折射光束当入射角大于临界角见( s i n 0 。= 嘎确) 时，就出现全反射现象， 如果介质2 是一个有衰减的介质，则称其为衰减全反射( a t r ) 。在这种情况下， 会有一部分光渗入到低折射率的介质2 中，形成一种与介质1 中不同的传输光 波，它是一种趋向于迅速衰减的电磁波，故称为倏逝波 4 4 1 ， 4 5 】， 4 6 】，其示意图如 图3 1 所示1 4 7 。 jlx e v a n e s c e n t n 2羔g t d i 1 1 1乏 a i n l n 2 e 图3 1 倏逝波不意图 当利用倏逝波进行参数测试时，一般要把光纤的包层去掉或有较薄的包层 存在，以便于有较强的倏逝波出现，这样包层实际上是被测的吸收介质。根据 这种情况，可设光纤的纤芯为无吸收介质，而包层为有吸收介质，则 n 2 = 吃，+ f ( 3 1 ) 3 4 第三章 倏逝波传感原理及其在光纤环衰荡腔流体传感中的应用 其中n 2 ， 吃，实部为折射率惕，反映介质2 的传输特性；虚立- g n 2 ，为消光系数， 反映介质2 的吸收特性，光波的传播常数也应为虚数形式 = 厉+ 屈 ( 3 2 ) 其中屈= 吃，k o = 2 刀矗为自由空间波数，凡为自由空间波长。由此，引入功 率吸收系数的概念【4 8 】： 口= 2 屈= 4 x r h f 磊 ( 3 3 ) 对于弱导光纤，利用标量法可设光波的场强为 e ( ，伊，z ) = 己( ，q o e x p j ( f l z w t ) 】 m = l ，2( 3 4 ) 式中r 为光纤的径向参数，妒为光纤的切向参数，z 为轴向参数，下标m = l 表示纤 芯，m = 2 表示包层式( 3 4 ) 应满足波动方程 ( v 2 + 碟砖) = o ( 3 5 ) 在分析倏逝波的特性时，为了更易理解倏逝波的机理以及简化数学运算， 把光束在光纤分界面反射点附近的局部区域中传输光波近似为局部平面波，则 纤芯与包层看作局部平面，如图3 1 所示此时在x o 平面的x 方向场强为 最( x ) = 巨。e x p ( j k o n 2 x c o so ，) e x p j ( f l z w t ) 】 ( 3 6 ) 由斯涅耳定律? 2s i n o t = 惕s i n o , ，及全反射条件舅包可知，应有 包包l 啊n ：s i n o , 1 ，所以 e o s o t = 彳s i n 2 谚，- 1 ( 3 7 ) 将式( 3 7 ) 代入式( 3 6 ) 得 易( x ) = 易。e x p 一嘞，x 彳s i n 2 谚鹰- 1 e x p ( - f l 。z ) ( 3 8 ) e x p 一成，z 2 ，x 彳s i n 2b - 1 e x p j ( f l z - w t ) 】 上式( 3 8 ) 就是一个倏逝波。由式( 3 8 ) - - 1 以看出：倏逝波在z 方向( 光纤轴向) 上是 行波，而在x 方向( 光纤介质2 的径向) 上是衰减波。同时，上式也说明，介质2 的吸收作用也会对光在x 方向的传输相位有小的影响( 因为1 2 ， n 2 ，) ；在轴向的 光束传输也会有衰减作用。式( 3 。8 ) 中，在x 方向衰减项内，当自然指数幂为一l 时 的x 值定义为透入深度： 3 5 第三章倏逝波传感原理及其在光纤环衰荡腔流体传感中的应用 啡= 2 s i n 26 ：一( 伤啊) 2 】一坨i n , l ( 2 ，r n , n 2 ，) ( 3 9 ) 透入深度表示在介质2 中伤， 2 x 1 0 _ 6 场后的曲线变化主要是由于n 2 。对“和_ i ，参数的影响所导致的输出光 功率的变化，此时的输出光功率就是纤芯中的功率。根据以上分析，可以确定 光纤传感器的传感光纤长度以及光信号的接收处理。 第二节基于光纤环衰荡腔的倏逝波吸收传感研究 3 2 1 理论模型建立与分析 阶跃型单模光纤的三层模型【5 ，把光纤分为三个部分，即纤芯( 半径为a l ， 折射率为n 1 ) 、包层( 半径为a 2 ，折射率为n 2 ) 、光纤周围空气层( 半径为无穷 大，折射率为n 3 ) ，- 为径向分量，9 辐角方向分量。定义= ( n 1 n 2 ) n l 为光纤归 一化纤芯与包层的折射率差，把l ( 或n 1 碰) 的光纤称为弱导光纤。弱导 光纤由于 ，加热体 积取决于热扩散过程，因此，损伤阈值瓦芘乃“2 。但是，当激光脉冲宽度下降到 乇，使热扩散距离乞= ( d ，) “2