摘 要

本文介绍了微纳光纤及其应用范畴，并从微纳光纤结构入手，选取并制作了哑铃型光纤。通过电动平移台氢气火焰拉制法拉制出了不同直径的哑铃型微纳光纤样品，通过吸收光谱测试法将哑铃型微纳光纤的消逝场强度和敏感度与普通的单模圆柱形光纤做了比较，最后使用了有限元模拟的方法对不同直径的哑铃型微纳光纤和单模圆柱形光纤的消逝场能量占光纤传输总能量的的占比进行了计算，探究出了哑铃型微纳光纤拥有更强消逝场的结论。

论文选取了具有特殊双弧形凹槽结构的哑铃型微纳光纤，研究了其强消逝场和高敏感性的特点，通过对比实验验证了该结构的优越性，所得结果对于强消逝场微纳光纤的研究提出了比较新颖的思路。

关键词：微纳光纤；消逝场；哑铃型光纤；吸收光谱；

Abstract

This paper introduces the optical microfiber and its application, then we selected and produced the I-shaped optical microfiber due to the optical microfiber structure. The I-shaped optical microfiber samples with different diameters were drawn by electric translation table with hydrogen flame stretching method. The intensity of evanescent field and sensitivity of I-shaped optical microfiber were compared with ordinary cylindrical fibers by absorption spectroscopy.. Finally, the finite element simulation method is used to calculate the ratio of the energy of the evanescent field to the total energy of the fiber of different diameter I-shaped optical microfiber and cylindrical fiber. To explore the I-shaped optical microfiber has a stronger evasive field conclusion.

In this paper, I-shaped optical microfiber with special double-arc groove structure is selected. We studied the characteristics of its strong evanescent field and high sensitivity. The superiority of the structure is verified by comparison experiment. This results give the study of strong evanescent field optical microfiber a relatively new idea

Key Words：Optical microfiber；Evanescent field；I-shaped optical microfiber；Absorption spectrum

目 录

第1章 绪论 1

1.1 微纳光纤简介 1

1.2 微纳光纤传感器简介 2

1.2.1 光纤光栅传感器 2

1.2.2 化学吸收传感器 2

1.2.3 Mach-Zehnder等谐振腔结构 3

1.3 毕业设计内容及任务要求 4

1.4 本文结构 4

第2章 制作工艺与性能检测 6

2.1 光纤拉丝工艺简介 6

2.1.1 酒精灯一步拉制法 7

2.1.2 电动平移台拉丝法 7

2.1.3 其他拉丝方法简介 8

2.2 样品制备及检测 8

第3章 吸收光谱测试 11

3.1 吸收光谱测试原理 11

3.2 实验仪器与实验装置 12

3.2.1 实验仪器与待测样品介绍 12

3.2.2 实验装置介绍 13

3.3 测试结果分析 14

3.3.1 数据处理过程 14

第4章 有限元模拟分析 19

4.1 有限元建模分析软件Comsol简介 19

4.2 有限元模拟分析 19

4.2.1 建模仿真 19

4.2.2 消逝场比例计算 22

第5章 总结与展望 24

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 微纳光纤简介

光纤是由位于中心的纤芯和外围的包层组成的用于传导能量和信息的一种材料，广泛的应用于通信系统之中。光纤分为三种基本类型，突变型多模光纤、渐变型多模光纤和单模光纤。单模光纤在其传播过程中，只能传输一种模式，因此称为单模光纤。单模光纤的折射率成阶跃分布。进入21世纪之后，伴随着现代科学研究对于器件的性能和集成度要求越来越高，很大程度上激励了元器件的设计研究和制作工艺的迅速发展。而发展微纳尺度上的光子器件对于数据交互量大的光纤通信行业、微型高敏感性传感器研发和微电子领域的研究也是极为重要和基础的一环。微纳光波导作为微纳光子学的的基本研究单位和微纳尺度上的光学现象载体，自然而然成为了其研究发展的重要课题。同时微纳光学器件的适用性也在很大程度上依赖于微纳光波导的性能，因此，研究拥有高性能的微纳光波导的对于科研方面亦或是市场应用方面都有着切实的需求^[1]。

微纳光波导发展至今已经有了非常多的研究成果，诸多不同种类的微纳光波导已经研发并运用在了各个方面。这些微纳光波导，硅基刻蚀波导、金属表面等离子体波导、光子晶体波导等，都有着各自的优势。但自从2003年，微纳光纤问世之后，关注颇丰，国内外非常多的研究人员和机构便开始了的针对它的研究工作。微纳光纤之所以获得比较高的关注度，是因为相比较于其它种类的微纳光波导，微纳光纤在许多方面具有非常显著的优势，十分光滑的波导表面、高强度的消逝场、极小的质量和大百分比的表面积比使得微纳光纤在用做传感器时有着高敏感度和极微型化的特点，非常低的耦合损耗让它在高性能高集成化的谐振、耦合和生物化学传感等器件研究与制造方面也有着很强的竞争力。同时它的色散特性也非常优秀，并且随着直径的改变而改变，对于光场的调制作用以及对于输出光束的影响也有其独到之处。上述的诸多优点使得微纳光纤在光纤光学和量子光学等在微纳尺度上的光学基础研究和以此为元件的仪器制备方面都具有相当高的潜在应用价值。同时由于微纳光纤的制造成本很低、规模化生产简单、使用时不易损等特点，在生物、化学、物理、材料、通信检测等许多学科领域都有着非常普遍的应用，对各个学科的研究提供了一种新的渠道和思路，对各个学科发展也起到了一点的推动作用^[12]。正是如此，也有越来越多的人投入到了微纳光纤的拉制工艺、结构特点和应用方面的研究之中。

1.2 微纳光纤传感器简介