高灵敏度光学折射率传感系统的研制

摘要

光学传感技术在光通信技术的发展中孕育而生，并逐渐演变成为一个衡量国家信息化程度的重要标志。光学传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输损耗小等显著优势，越来越引起人们的关注，已被广泛应用于环境监测、智能电网、和生物传感等领域。目前，随着光学解调技术进一步发展，光学传感技术已经越来越成熟，很多机理的传感器已经商业化。但是，为了提高光学传感的性能和功能，人们对光学传感器研究没有停下脚步，新的传感结构、传感机理的光学传感不断出现。本论文主要阐述硕士研究生期间的自己做的一些工作，包括对基于表面等离激元共振(SPR)机理的光学传感系统进行搭建，和基于弯曲光纤的传感器进行设计，以及对两种不同机理的折射率传感器进行理论推导和实验探究，主要内容如下:
　　1 SPR技术以其灵敏度高、需要样品量少、样品不需要进行标记等优势很快被国内外研究机构所关注。本文中从基础理论出发，开始推导产生SPR现象的条件，然后根据条件来进行编程模拟，选择用于搭建仪器的合适参数和材料，并最终从硬件和软件两方面着手开始设计基于角度式的表SPR光学传感分析仪器:使用基于Kretchmann结构的棱镜作为传感核心结构，然后布局激光器、旋转台、探测器等设施，并通过微机对它们进行软件控制，达到我们所设的要求。最后我们对搭建完成的系统进行了评估:系统在长时间的工作下稳定性达到我们的预设，并且在在角度分辨率设定为0.00375°情况下，对不同折射率盐溶液的共振角分析结果可以知道，折射率与共振角之间拥有非常好的线性特性，系统测量的灵敏度是1.935×10-5RIU。但是为了得到更加高的灵敏度，系统有待进一步改进。
　　2根据现有的基于光纤弯曲结构的传感器的研究现状，分析了现有结构存在的不足与局限性，针对这些问题，我们设计了一种基于波长调制的光纤弯曲结构的传感器;随后对该结构的原理与制备方法做了详细的阐述，并对该传感器结构的折射率与温度传感特性进行实验研究。实验表明:当环境温度从23到33摄氏度增长时，两个共振峰的温度灵敏度分别为-280pm/℃和-460pm/℃;然而，当环境温度低于23℃时，传感器对温度响应非常低，随着温度的变化，共振峰波长没有明显的变化。所以，该光纤折射率传感器更适用于在低于23℃时进行测量，作为一种温度不敏感的折射率传感器，并且折射率灵敏度可以分别达到了147.602nm/RIU和125.459nm/RIU。

目录

声明

摘要

1 光学传感技术概论

1．1 光学传感技术简介

1．2 光学传感技术研究方法

1．3 不同机理的光学传感技术及应用

1．3．1 不同机理的光学传感技术

1．3．2 光学传感技术应用

1．4 本文主要研究工作

2 表面等离激元共振传感及弯曲光纤传感

2．1 表面等离激元共振传感

2．1．1 等离子体相关理论

2．1．2 金属-电介质边界的表面等离激元现象

2．1．3 衰减全反射理论

2．1．4 SPR现象的产生

2．2 弯曲光纤传感

2．2．1 弯曲光纤传感器的研究背景

2．2．2 弯曲光纤损耗

2．3 本章小结

3 基于角度式表面等离激元共振传感系统的模拟和设计

3．1 角度式表面等离激元共振的参数模拟

3．1．1 波长稳定性模拟

3．1．2 棱镜材质模拟

3．1．3 金属膜选择

3．1．4 金膜厚度的模拟

3．1．5 折射率样品对SPR曲线的影响模拟

3．2 角度式表面等离激元共振传感系统设计

3．2．1 硬件设计

3．2．2 软件设计

3．3 角度式表面等离激元共振传感系统特性研究

3．3．1 系统评估

3．3．2 折射率特性分析

3．4 本章小结

4 基于弯曲光纤传感系统的研究

4．1 弯曲光纤传感系统设计

4．2 弯曲光纤传感系统传感特性研究

4．2．1 折射率特性分析

4．2．2 温度特性分析

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢