零串扰多通道荧光光纤传感探头的设计与机理研究

摘要

本论文主要介绍一种零串扰多通道式荧光光纤探头的工作机理并对其做性能研究。首先从倏逝波和荧光信号的耦合两方面分别分析这种探头的原理,并对其理论可行性进行验证;然后搭建多通道式荧光光纤探头实验平台,探讨荧光信号的激励机制,通过实验测定新型荧光光纤探头的检测能力;最后以日立F-2700荧光光谱仪、多通道荧光光纤探头为实验装置,依据Fe3+对罗丹明6G的荧光淬灭效应,分别完成对Fe3+浓度的定性和定量分析。具体研究内容及其成果包括:
　　1、提出了一种新型的零串扰多通道荧光光纤探头,该探头主要是基于外部垂直激励式光纤探头的工作原理,传输光纤分为入射光纤和接收光纤,并且二者分离,工作状态下待测荧光自由液滴滴附于接收光纤纤芯表面,激发光经入射光纤射出直接激励液滴发出荧光,入射光纤可以有多条,根据需要连接特定波长的激发光源,接收光纤上有多处待测位置通道,可同时放置检测多种类型的自由荧光液滴;对接收光纤内的传播光线进行分类划分,引入光纤端面全反射工作机制,分析不同传播光线对总输出能量的贡献,并验证模式在不同包层区段间传播时,尤其是由液滴与聚合物之间的空气段传输进入聚合物段时,探测器不能响应发生端面全反射的模式。
　　2、搭建基于垂直激励式的零串扰多通道荧光光纤检测平台,调整光纤平台,改变荧光液滴的形状,记录并比较不同相对空间位置时荧光信号的峰值强度,确定输出荧光信号信噪比达到最佳时入射光纤与接收的相对空间位置,即入射光纤位于接收光纤的上方区域。通过比较接收光纤端面涂覆匹配液前后的荧光信号峰值强度,验证了端面全反射机制的存在;最后,基于荧光信号峰值强度的变化分析各通道之间检测性能的独立性,得出其检测能力是不以待测荧光液滴的不同而发生变化的,并可有效地消除杂散激发光的强噪声干扰。
　　3、在基于F-2700仪器平台对Fe3+的检测分析实验中,扫描出罗丹明6G的荧光激发光谱,选用532nm绿光作为激发光,通过比较Fe3+加入罗丹明6G溶液前后荧光信号强度的变化,验证了Fe3+离子的加入会对罗丹明6G溶液产生荧光淬灭的理论。当加入的Fe3+离子浓度在0.01~0.04mg/L之间时,荧光强度淬灭值与加入的Fe3+离子浓度之间存在良好的线性关系,对实验数据进行曲线拟合,其线性回归方程相关系数为R2=0.9921;而在基于多通道荧光光纤探头的分析实验中,通过比较荧光峰值强度在不同Fe3+离子浓度加入后的变化趋势曲线,验证了零串扰多通道型光纤探头应用于检测Fe3+离子浓度的可行性。

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表清单

1 绪论

1.1 荧光光纤传感器

1.2 倏逝波型荧光光纤传感器

1.3 本文的主要研究内容

2 光线的传播规律与模式容量匹配理论

2.1 光纤中传播光线的类型

2.2 光纤波导的类型及其模式容量匹配

2.3 倏逝波型荧光光纤探头的发展趋势

2.4 本章小结

3 基于外部垂直激励的零串扰多通道荧光光纤探头工作原理

3.1 光纤端面全反射工作机制与模式传输过程的关系

3.2 零串扰多通道荧光光纤探头

3.3 本章小结

4 基于零串扰多通道荧光光纤传感探头的Fe3+检测

4.1 基于日立荧光光谱仪的检测分析

4.2 基于多通道荧光光纤探头的Fe3+检测分析

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 研究内容与成果简介

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

作者简历