塑料光纤的周期性结构修饰及其折射率传感特性研究
发布时间：2021-09-18 12:46
折射率作为物质的重要光学参数之一,对它的测量可有效反映出物质的浓度、糖度和pH值等物理特性。因此,折射率传感技术被广泛地应用在特殊物质的鉴别、溶液浓度的检测和食品质量的控制等领域。多年以来,光纤折射率传感器因具有轻巧灵敏、抗电磁干扰、可远程操作等优点而被广泛研究。目前,绝大部分光纤折射率传感功能都是在石英光纤上实现的,但是,石英材料的质地坚硬、韧性差,使得对其进行结构修饰和改造比较困难。而塑料光纤质地柔软,可塑性强,易于光纤结构的修饰和改造,因而在折射率传感技术方面受到广泛关注。此外,商用塑料光纤的大芯径尺寸,使其与光源、探测器的耦合对准非常容易,是实现结构简单、价格低廉的折射率传感器的理想光纤材料。光纤长周期光栅（LPG）能够将光纤中传输的芯层模耦合为包层模,从而在特定波长处引起损耗,而包层模极易受到外界环境变化的影响。因此,LPG是一种对外界环境折射率变化极为敏感的光学器件。因此,本文对商用塑料光纤进行了周期性结构修饰,提出了基于表面皱褶LPG和螺旋形结构的两种塑料光纤折射率传感器,并分别对这两种结构塑料光纤的折射率传感特性进行了研究,得到的主要结果如下:采用机械压模技术,在塑料光...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
017-2022年中国塑料光纤行业需求预测
第一章绪论5塑料光纤在经过几十年的发展和演变，已逐渐在国际光纤市场占有一席之地。就全球塑料光纤市场来看，其国际市场总额年增长率约为25%。我国作为塑料光纤的主要消费国之一，其市场需求呈现不断攀升的趋势。图1.1所示，为2017-2022年中国塑料光纤行业需求预测[14]。从图1.1可以看出，塑料光纤行业将有一个广阔的市场应用前景。二、塑料光纤的结构及材料塑料光纤是以高分子聚合物材料或有机材料而制成的一类光导纤维，其结构与传统石英光纤（GlassOpticalFiber,GOF）一样，也是由纤芯（Core）、包层（Cladding）和涂覆层（Jacket）构成的一种多层圆柱体，如图1.2所示。图1.2光纤结构示意图。涂覆层对光纤具有机械保护的功能，具有鲁棒性，它通常是由聚氨酯构成[15]。纤芯主要由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和氟化聚合物（PF）等材料构成，包层主要由PMMA、氟化塑料等材料构成。通常意义上的光纤只指裸光纤（纤芯+包层），不包括涂覆层。裸塑料光纤直径通常在125-2000μm范围内，数值孔径为0.5左右[16]。三、塑料光纤的分类目前，塑料光纤根据自身结构、用途等大体可分为普通塑料光纤和特殊塑料光纤两大类，如图1.3所示。阶跃折射率多模塑料光纤因为其带宽较窄和损耗较高，一般用于照明、装饰和传感领域。渐变折射率多模塑料光纤以其低损耗和高带宽，通常应用在短距离、高速率、大容量数据传输领域。虽然阶跃折射率单模塑料光纤[17]可以增加带宽，但较小的芯径（一般为5-20μm）已使其失去了传统塑料光纤低价格、易处理的优势，但单模塑料光纤在传感领域同样有重要的应用价值。目前，已经商用化的为阶跃和渐变折射率多模塑料光纤，应用在传感领域多为阶跃折射率多模塑料光
吉林大学博士学位论文6纤，因此，本文无特别说明所提到的塑料光纤都为阶跃折射率型。特殊塑料光纤的出现[18]，极大的扩展了塑料光纤的应用，为新一代高性能、多功能和多用途的塑料光纤传感器的设计和研制提供了有力的保障。图1.3塑料光纤的分类。四、塑料光纤的基本特性（1）光学特性：塑料光纤是由单体聚合而成的一种纤维状长链分子，其密度均匀性较差，因而光传输损耗较大。光吸收系数（一般为0.008-0.0018cm-1）比光学玻璃（约为0.00002-0.00001cm-1））高约两个数量级，光损耗通常都大于20dB/km，如表1.1所示。（2）机械特性：塑料光纤韧性好，耐弯折。把直径1mm的塑料光纤按曲率半径6mm做180°弯曲，反复操作100多次，其结构和光学性能并无太大变化，但塑料光纤硬度差，表面易磨损和划伤，从而影响其光学质量。（3）热学特性：一般塑料光纤的工作温度范围为-50-70℃，部分可达200℃左右，超出工作温度范围，光纤开始失去刚性和透明性，因此塑料光纤熔点低，易老化。（4）化学特性：塑料光纤抗化学腐蚀性能差，在有机溶剂（丙酮、乙酸乙酯或苯）的作用下，易腐蚀变质，严重影响光学性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Refractive index sensor based on a step index multimode polymer optical fiber with a micro-hole created by a miniature numerical control machine[J]. 辛高鹏,彭坤,谷志民,赵健,范瑞琴,刘璐,徐晓峰. Chinese Optics Letters. 2013(02)
[2]微/纳米塑料光纤的制备及其折射率传感特性研究[J]. 滕传新,夏洪运,景宁,郑杰. 光电子.激光. 2013(01)
[3]弯曲增敏型光纤曲率传感器的优化分析[J]. 付宜利,狄海廷. 光电子.激光. 2010(02)
[4]数码照相法测量离子交换平面光波导损耗特性[J]. 贾凌华,邱枫,钱颖,提运强,郑杰,王鹏飞,FARRELL G. 光子学报. 2009(05)
博士论文
[1]塑料光纤的结构修饰及其折射率传感特性研究[D]. 滕传新.吉林大学 2017
[2]宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究[D]. 景宁.吉林大学 2015
本文编号：3400164
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
017-2022年中国塑料光纤行业需求预测
第一章绪论5塑料光纤在经过几十年的发展和演变，已逐渐在国际光纤市场占有一席之地。就全球塑料光纤市场来看，其国际市场总额年增长率约为25%。我国作为塑料光纤的主要消费国之一，其市场需求呈现不断攀升的趋势。图1.1所示，为2017-2022年中国塑料光纤行业需求预测[14]。从图1.1可以看出，塑料光纤行业将有一个广阔的市场应用前景。二、塑料光纤的结构及材料塑料光纤是以高分子聚合物材料或有机材料而制成的一类光导纤维，其结构与传统石英光纤（GlassOpticalFiber,GOF）一样，也是由纤芯（Core）、包层（Cladding）和涂覆层（Jacket）构成的一种多层圆柱体，如图1.2所示。图1.2光纤结构示意图。涂覆层对光纤具有机械保护的功能，具有鲁棒性，它通常是由聚氨酯构成[15]。纤芯主要由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和氟化聚合物（PF）等材料构成，包层主要由PMMA、氟化塑料等材料构成。通常意义上的光纤只指裸光纤（纤芯+包层），不包括涂覆层。裸塑料光纤直径通常在125-2000μm范围内，数值孔径为0.5左右[16]。三、塑料光纤的分类目前，塑料光纤根据自身结构、用途等大体可分为普通塑料光纤和特殊塑料光纤两大类，如图1.3所示。阶跃折射率多模塑料光纤因为其带宽较窄和损耗较高，一般用于照明、装饰和传感领域。渐变折射率多模塑料光纤以其低损耗和高带宽，通常应用在短距离、高速率、大容量数据传输领域。虽然阶跃折射率单模塑料光纤[17]可以增加带宽，但较小的芯径（一般为5-20μm）已使其失去了传统塑料光纤低价格、易处理的优势，但单模塑料光纤在传感领域同样有重要的应用价值。目前，已经商用化的为阶跃和渐变折射率多模塑料光纤，应用在传感领域多为阶跃折射率多模塑料光
吉林大学博士学位论文6纤，因此，本文无特别说明所提到的塑料光纤都为阶跃折射率型。特殊塑料光纤的出现[18]，极大的扩展了塑料光纤的应用，为新一代高性能、多功能和多用途的塑料光纤传感器的设计和研制提供了有力的保障。图1.3塑料光纤的分类。四、塑料光纤的基本特性（1）光学特性：塑料光纤是由单体聚合而成的一种纤维状长链分子，其密度均匀性较差，因而光传输损耗较大。光吸收系数（一般为0.008-0.0018cm-1）比光学玻璃（约为0.00002-0.00001cm-1））高约两个数量级，光损耗通常都大于20dB/km，如表1.1所示。（2）机械特性：塑料光纤韧性好，耐弯折。把直径1mm的塑料光纤按曲率半径6mm做180°弯曲，反复操作100多次，其结构和光学性能并无太大变化，但塑料光纤硬度差，表面易磨损和划伤，从而影响其光学质量。（3）热学特性：一般塑料光纤的工作温度范围为-50-70℃，部分可达200℃左右，超出工作温度范围，光纤开始失去刚性和透明性，因此塑料光纤熔点低，易老化。（4）化学特性：塑料光纤抗化学腐蚀性能差，在有机溶剂（丙酮、乙酸乙酯或苯）的作用下，易腐蚀变质，严重影响光学性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Refractive index sensor based on a step index multimode polymer optical fiber with a micro-hole created by a miniature numerical control machine[J]. 辛高鹏,彭坤,谷志民,赵健,范瑞琴,刘璐,徐晓峰. Chinese Optics Letters. 2013(02)
[2]微/纳米塑料光纤的制备及其折射率传感特性研究[J]. 滕传新,夏洪运,景宁,郑杰. 光电子.激光. 2013(01)
[3]弯曲增敏型光纤曲率传感器的优化分析[J]. 付宜利,狄海廷. 光电子.激光. 2010(02)
[4]数码照相法测量离子交换平面光波导损耗特性[J]. 贾凌华,邱枫,钱颖,提运强,郑杰,王鹏飞,FARRELL G. 光子学报. 2009(05)
博士论文
[1]塑料光纤的结构修饰及其折射率传感特性研究[D]. 滕传新.吉林大学 2017
[2]宏弯曲塑料光纤折射率传感特性研究[D]. 景宁.吉林大学 2015
本文编号：3400164
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