微纳光纤传感器增敏技术研究

摘要

光纤传感在环境监测、生物、医学、通信、航空航天等领域已得到了广泛的应用。近年来，关于如何实现高灵敏度、高探测精度、大动态范围的新型光纤传感器件已成为了光纤传感领域的一个研究热点。微纳光纤传感器是以微纳光纤作为敏感元件，借助其强倏逝场等特性，对外界环境参量进行测量的一类传感器。相对于普通光纤传感器，微纳光纤传感器具有集成化、快响应、高灵敏度等优点。近年来，随着对石墨烯类材料光学特性的研究并取得一系列研究的成果，研究者开始思考将微纳光纤与石墨烯类纳米材料结合以增强微纳光纤的传感特性，实现传感器的更高测量精度、更大测量范围以及对于待测量的选择性。 本文围绕微纳光纤的增敏展开了一系列研究，首先介绍了微纳光纤及其传感器的发展现状，并对微纳光纤传感器增敏技术研究的意义进行了说明；然后阐述了微纳光纤的光波导特性，并对干涉型微纳光纤和微纳光纤布拉格光栅的传感机理进行了阐述。最后实验设计并制作了干涉型微纳光纤传感器和微纳光纤光栅传感器，并借助纳米材料氧化石墨烯(graphene oxide, GO)提高微纳光纤传感器的性能。 （1）基于火焰熔融拉锥法制作锥形微纳光纤传感器。利用保偏光纤制作微纳光纤，通过不断改变拉锥参数，最终制作出性能优异的锥形微纳光纤器件，将其与氧化石墨烯结合构成基于氧化石墨烯的微纳光纤传感器，对该传感器的气体响应特性进行了研究，实验结果表明，锥形腰区直径为13μm，均匀区长度为6 mm的锥形微纳光纤传感器表现更加优秀，在未涂覆氧化石墨烯时，该传感器对乙醇气体浓度的变化并不敏感，在涂覆氧化石墨烯后，传感器对乙醇气体的传感灵敏度显著提高，在0-80 ppm乙醇气体浓度范围内，传感器的灵敏度为0.138 nm/ppm，且具有很好的重复性。利用光敏光纤拉锥制作的干涉型微纳光纤传感器也具有很高的灵敏度，在氨气浓度为40-80 ppm范围内，其灵敏度为0.113 nm/ppm。 （2）通过相位掩模法刻写布拉格光栅，并对其腐蚀处理，制作出微纳光纤布拉格光栅传感器，对其传感特性进行研究。实验中采用不同类型的光纤制作微纳光纤布拉格光栅，实验发现，采用光敏光纤所制作的微纳光纤布拉格光栅传感器具有更好的传感表现，直径为5μm的微纳光纤布拉格光栅传感器，在氨气浓度在0-50 ppm范围内，其灵敏度为0.156 nm/ppm；直径为21μm的微纳光纤布拉格光栅传感器，在氨气浓度在0-32 ppm范围内，未涂覆氧化石墨烯的灵敏度为0.003 nm/ppm，涂覆氧化石墨烯的为0.028 nm/ppm。直径为8μm的微纳光纤布拉格光栅传感器，在湿度20%-65% RH范围内，其灵敏度为0.011 nm/% RH；直径为21μm的微纳光纤布拉格光栅传感器，在湿度20%-90%RH范围内，涂覆氧化石墨烯前其灵敏度为0.002 nm/% RH；涂覆氧化石墨烯后其灵敏度为0.008 nm/% RH，是未涂覆氧化石墨烯的四倍。 微纳光纤传感器在传感领域扮演越来越重要的角色，进一步提高其灵敏度、扩大测量范围以及实现选择性是微纳光纤传感器的一个重要研究方向，在这一方向的突破研究，会使得微纳光纤传感器具有更加广阔的应用前景以及应用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1微纳光纤

1.2微纳光纤气体传感器

1.3微纳光纤湿度传感器

1.4本课题主要研究内容

第二章 微纳光纤传感特性

2.1微纳光纤波导理论

2.2 微纳光纤传感器的分类

2.3基于微纳光纤倏逝场效应传感器的传感原理

2.4 增敏方法

2.5本章小结

第三章 干涉型微纳光纤气体传感器响应增敏技术

3.1单锥形微纳光纤传感器的制备

3.2氧化石墨烯的制备方法和涂覆工艺

3.3基于氧化石墨烯的微纳光纤乙醇气体传感器响应特性

3.4基于光敏光纤的干涉型微纳光纤传感器响应特性

3.5本章小结

第四章 微纳光纤光栅传感器响应增敏技术

4.1微纳光纤光栅的制备

4.2微纳光纤光栅的传感特性

4.3本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果