基于啁啾纳微结构的超高精度分布式光纤折射率传感技术研究

本项目研究啁啾纳微结构的超高精度分布式光纤折射率传感机理及其应用技术。主要研究内容包括：1）纳米光子学分布局域场理论构建；2）高阶倏逝场交叉耦合效应增强机理；3）连续啁啾纳微结构光纤色散和散射效应增强机理；4)分布式啁啾纳微结构光纤传感理论与实现方法；5）导模高阶倏逝场与被检材料相互作用机理及材料折射率传感信息提取技术。主要创新点：1）横向纳米微结构强烈激发高阶倏逝场的穿透深度及交叉耦合作用，极大提高折射率敏感特性；2）纵向连续啁啾纳米微结构激发传输光场的色散和散射增强效应，结合"光波长时域反射"技术实现超高空间分辨率的分布式检测。本项目研究成果可用于检测复合材料固化过程中基体折射率变化，具有高精度、分布式、自参考和高集成性等特点，可实现从传统"单点"模式到"光纤纳米探测线"模式的转变，易于组建三维立体监测。在复合材料固化监测、环境污染监测以及消化道内窥检测等领域中具有十分重要的应用价值。

本项目针对飞机复合材料固化过程中折射率高精度监测的重大需求，以微纳光波导为传感核心部件，分布有序的开展了波导光场特性分析、微纳结构制备工艺、传感新机理及传感器封装测试的研究工作，取得了一系列创新性成果。主要内容包括：（1）建立微纳光纤波导的理论模型，深入分析了微纳光纤波导的局域场分布、倏逝场增强机理、光场与外界环境的相互作用机理及高灵敏传感特性；（2）建设微纳光纤及传感微结构的制备和测试工艺平台，提出了多维微纳尺度光纤微结构的制作方法，实现了SiO2微纳光纤、聚合物微纳光纤、微纳光纤光栅、微纳光纤法布里-珀罗微腔等传感结构制备和传感器封装设计；（3）针对微纳光纤光栅这种纳米尺度多维周期微结构，建立理论模型，并通过数值仿真分析了其光场特性、折射率及温度敏感特性，结果显示其具有高达1200nm/RIU的折射率检测灵敏度且温度交叉敏感效应比普通光栅降低20倍，并用紫外刻写方法在微米光纤上成功制备了Bragg光栅；（4）提出基于微纳光纤倏逝波光场强度、相位等调制的高灵敏传感方案，结合光纤干涉仪、光纤激光器、相干拍频检测技术及数据处理算法的信息场提取方法，通过理论和实验两方面验证了材料折射率和温度的检测精度分别能够达到10-6RIU和10-4oC，并实现了折射率/温度的双参量同时测量，为监测复合材料固化过程中的材料特性变化提供了良好的研究基础；（5）提出基于啁啾微结构空间拓展的分布式传感方案，在普通光纤上进行了实验验证，单个微结构单元达到1.5mm的空间分辨率，单纤复用能力可达1000个以上，并从理论上分析讨论了基于微纳光纤连续啁啾微结构的分布式折射率传感可行性，探索其在复合材料固化过程中分布式监测的应用潜力。主要创新点在于：（1）横向纳米微结构强烈激发高阶倏逝场的穿透深度及交叉耦合作用，极大提高折射率敏感特性；（2）微纳光纤法布里-珀罗微腔结构具有复合光谱特性，实现折射率/温度等多参量传感检测；（3）纵向连续啁啾纳米微结构激发传输光场的散射增强效应，结合波长域/频域/时域等多维分析技术实现高空间分辨率的分布式检测。本项目研究成果可用于检测复合材料固化过程中基体折射率变化，并实时监控温度变化，具有高精度、分布式、自参考和微型化等特点，可实现从传统"单点"模式到"分布式光纤纳米探测线"模式的转变，在复合材料固化监测、环境污染监测以及消化道内窥检测等领域中具有十分重要的应用价值。

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