【摘 要】
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目前人们对于环境污染的重视程度越来越高,尤其是在水质污染方面,光纤折射率传感器由于具有良好的耐水性、隐蔽性和环境适应性,因此,在水质检测方面发挥着重要的作用。全无机钙钛矿作为一种新型微纳量子点增益材料,近几年来成为了光电领域关注和研究的热点,同时,基于倏逝场结构的侧面抛磨光纤(SPF),由于其内部光场与外界环境的强相互作用而在折射率传感、弯曲传感等领域得到十分广泛的研究。现阶段将SPF的倏逝场与C
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目前人们对于环境污染的重视程度越来越高,尤其是在水质污染方面,光纤折射率传感器由于具有良好的耐水性、隐蔽性和环境适应性,因此,在水质检测方面发挥着重要的作用。全无机钙钛矿作为一种新型微纳量子点增益材料,近几年来成为了光电领域关注和研究的热点,同时,基于倏逝场结构的侧面抛磨光纤(SPF),由于其内部光场与外界环境的强相互作用而在折射率传感、弯曲传感等领域得到十分广泛的研究。现阶段将SPF的倏逝场与CsPbCl3量子点的光学增益性质结合做折射率传感研究的仍较少。本文针对传统光纤折射率传感器实现传感检测的信号变化量小、检测线性度不高、灵敏度较低等局限性,旨在将新型钙钛矿量子点微纳材料的最新研究成果应用于智能光纤传感技术领域,主要的研究内容如下:(1)基于密度泛函理论,对全无机CsPbCl3钙钛矿量子点的光学性质进行了仿真研究。利用MS软件建立了全无机CsPbCl3量子点晶体结构模型,并对其结构参数进行优化,通过CASTEP模块仿真得出了其复介电常数、折射系数和反射系数参数,并对其谱线进行了可靠性对比分析,得到了平均误差约为7.88%的对比结果。(2)实验方面着重对全无机CsPbCl3量子点材料与SPF相结合的可行性进行了深入研究。(1)首先,使用激光系统对已制备的掺杂Mn2+和Br+的全无机CsPbCl3量子点的结构和性质进行了拉曼光谱测试,测量出材料的拉曼光谱图,验证了本文实验所用的CsPbCl3量子点材料的纯净性。(2)其次,建立了简易光纤侧面研磨平台,以对SMF进行侧面研磨加工,制作了最大功率损耗约为6.28d B的SPF,进而利用倏逝场理论估算出侧向抛磨深度约为49.12μm。(3)最重要的是深入研究了两种掺杂(掺Mn2+或掺Br+)、两种形态(量子点悬浊液或离心液)的CsPbCl3量子点涂层在不同掺杂浓度下对SPF传输光谱的影响。先采用物理吸附法在SPF的抛磨区域形成CsPbCl3钙钛矿量子点涂层,实验测量了Mn2+掺杂浓度为3%、5%、10%的量子点悬浊液及离心液和Br+掺杂浓度为20%、40%、60%的量子点悬浊液对SPF中传输光谱的影响,得到结论:在1200-1800nm的光谱波段范围内,Mn2+掺杂浓度为3%、5%、10%的量子点悬浊液对SPF中输出光谱的最大增益值分别约为0.75d B、1.54d B、2.52d B;相应的涂覆Mn2+掺杂浓度为3%、10%的量子点离心液获得的最大增益值分别约为9.25d B、6.26d B;而Br+掺杂浓度为20%、40%、60%的量子点悬浊液对SPF输出光谱的最大增益值则为1.44d B、1.78d B和2.04d B。(3)更深入的提出并制备出一种基于全无机CsPbCl3钙钛矿量子点的SPF折射率传感器,完成折射率传感的验证实验。(1)理论上,基于所采用的CsPbCl3量子点的光学性质参数,利用FDTD Solutions建立了涂覆CsPbCl3量子点层的SPF光波导传输模型,对其透射光谱在折射率变化范围为1.32-1.39内进行了仿真模拟,获得基于全无机CsPbCl3量子点的SPF折射率传感器的平均灵敏度约为93.87d B/RIU及理论线性度为0.9991。(2)实验上在折射率变化为1.33-1.38范围内,重复测量了折射率传感器透射谱峰值和增益峰值的变化曲线,还测试了在20oC-90oC室内环境下40分钟内的温度稳定性。获得的实验指标参数为:平均灵敏度119.42d B/RIU,线性度0.9962,并与仿真指标参数进行了对比分析。对比文献中报道的D型光纤探针[57]和基于MMF-TCF-MMF技术方案[65]的折射率传感器,平均灵敏度提升了约27.8%,线性度提升了约0.09%。本文在全无机CsPbCl3量子点与光纤传感相结合的研究领域,进行了有益的理论与实验探索。
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