1. 研究目的与意义
随着工农业的发展，各种有毒气体成为重要的污染源，如一氧化碳、硫化氢、二氧化碳、二氧化硫和甲烷等严重威胁着人咧的健康和安全。在石油、化工、冶金、电力医药等行业中，都要求对各种气体介质进行计量和控制，这对保证产品质量，节约能源，降低原材料消耗和加强经济核算有着重要意义。在某些情况下，需要对腔内有毒气体的浓度进行测量，采用常规测量手段非常困难而且结果难以达到较高的精度。所以如何全面有效地对有毒化学气体浓度进行精确和实时监测，对保障生产、人身安全有着十分重要的意义。因此，研究各种气体的检测方法与气体传感器就成为传感技术发展领域的一个重要课题，而传统传感器都不能够及时有效地检测出有害物质，这就要求我们去寻求更为有效的检测方法，光子晶体光纤的出现为我们提供了新的机遇。
光子晶体光纤有以下几种特性：第一种是无截止单模性质，因为对传统光纤而言，单模传输的光谱范围相对来说不是太宽，只有当归一化频率参量v2.4048时，才是单模。而与普通光纤不同的是，光子晶体光纤能在更宽的光谱范围内实现单模传输，不存在截止波长。第二种是非线性特性。光子晶体光纤有很强的非线性效应，这种特性不仅与空气孔的直径d、孔间距a有关，还和包层的空气填充率f有很大关系。第三种是色散特性，pcf灵活的几何结构使其相对于常规单模光纤具有许多独特而新奇的色散特性。如超宽范围可调的零色散波长、短波段的反常色散、近零超平坦色散以及高负色散特性等等。第四种是双折射特性，光子晶体光纤的双折射特性通常也被称作保偏特性，通过改变pcf的结构参数从而破坏其对称性，就可以制作出具有高模式双折射效应。
目前，光子晶体光纤的应用研究也相当广泛，包括：在空芯光子晶体光纤中利用激光束悬浮和操纵微粒；光子晶体光纤在通信中的应用；光子晶体光纤在量子光学中的应用；光子晶体光纤在医学中的应用；利用光子晶体光纤做成激光器；利用光子晶体做成光学光栅；利用两根光子带隙光纤构成光学二极管以及其它一些应用；光子晶体光纤传感应用等。
2. 研究内容和预期目标
主要内容如下：1、掌握光子晶体光纤的基本知识；2、学习有限元法的基本原理和有限元分析软件的使用；3、对光子晶体光纤的气体传感特性进行分析。
预期目标如下：1、能够基本掌握COMSOL和MATLAB的应用；2、编程实现不同结构的光子晶体光纤的有效折射率的分析。3、通过实验与计算，提出一种新的高双折射PCF的模式特性，并对其色散特性进行模拟分析。4、通过掌握光子晶体光纤的基本知识，采用理论计算方法对光子晶体光纤的模式特性进行分析，设计结构参数来研究它的温度特性。
3. 研究的方法与步骤
对光子晶体光纤的传感特性研究方法主要由以下几种：有效折射率法、时域有限差分法、超格子法、多极法、平面波法、转移矩阵法及有限元法等。
由于有限元法可对任意形状和大小的光子晶体光纤模型进行网格化处理,求解精度高,便于分析光子晶体光纤的多种性质,因此选用有限元法进行数值计算。
本课题研究需要通过计算机仿真软件comsol结合有限元理论模拟仿真填充气体后的光子晶体光纤的传感特性。
4. 参考文献
[1].周昌玉等，有限元分析的基本方法及工程应用，化学工业出版社，2006；
[2].李曙光等，光子晶体光纤的导波模式与色散特性，物理学报，2003，53(11):2811-2817；
[3].hooyl,jinw,hohl,etal.measurementofgasdiffusioncoefficientusingphotoniccrystalfiber.ieeephotonicstechnologyletters,2003,15(10):1434-1436；
5. 计划与进度安排
1、3月2日～4月5日查阅文献，收集资料，完成开题报告；
2、4月6日～4月26日学习有限元理论及软件使用，提出设计方案；
3、4月27日～5月24日完成设计，并进行性能分析；
