倏逝波光纤Bragg光栅传感器理论及应用研究

摘要

光纤Bragg光栅(FBG)生化信息传感器已成为生物光学这个交叉学科的研究热点之一,其基本原理是利用FBG的倏逝场来测量外部介质折射率(SRI)的微小变化量,间接的估算被测参量的值或评估生化过程参量的状态信息,该类传感器又可称为倏逝波FBG传感器。目前的倏逝波FBG传感器一般只利用到倏逝波FBG谐振峰波长的漂移来对介质折射率的变化进行测量(两者是非线性的关系),而谐振峰幅值并没有得到综合利用。另外,对介质温度影响的研究不足,由于任何生物医学生化反应现象都伴随着温度的变化,因此,倏逝波FBG传感器要走向适用化,必须考虑折射率测量过程中温度对其影响。　　本文要深入研究倏逝波FBG谐振波长点幅值随SRI变化的机理及一般规律。并以此为基础,设计能够消除折射率测量中的温度影响问题,且具有高折射率灵敏度的单端腐蚀倏逝波FBG折射率传感器。最后将其应用于蔗糖溶液浓度与温度的同时测量。本文的主要研究内容如下:　　(1)构建了两种最基本类型(包层/纤芯腐蚀型)的倏逝波FBG,得到了倏逝波FBG在不同的腐蚀深度下反射谱带宽中谐振波长点幅值与SRI之间关系,即得到了纤芯腐蚀型倏逝波FBG的归一化反射率的表达式,并进行了理论仿真。　　(2)通过实验对理论结果进行验证。设计与搭建相应的实验系统,将其应用于蔗糖溶液浓度的测量。实验结果表明,SRI的增大(小于包层折射率)和FBG腐蚀深度的增大都可以减小束缚在光纤中的能量,使倏逝波更多的、更深入的与外部介质进行相互作用,从而提高倏逝波FBG传感器折射率测量的灵敏度。　　(3)设计并制作了单端腐蚀倏逝波FBG传感器。利用其结构的特殊性,通过对实验所获得的灵敏度矩阵进行数值分析后,得到了可消除温度影响的较高折射率灵敏度的折射率传感器。　　(4)搭建了“温度-介质折射率”同时变化实验系统,利用所制作的单端腐蚀传感器对蔗糖溶液与温度进行了同时测量。实验证明随着蔗糖溶液折射率的增加,Bragg波长近似线性地往长波方向漂移,对传感器灵敏度矩阵进行数值分析后,可得蔗糖溶液折射率灵敏度达到5.42nm/riu,改进后的传感器能有效的消除温度变化对蔗糖溶液浓度测量的影响。　　本课题既可为各种与介质折射率变化有关的生化过程微观机理研究提供有力的手段,又对推动光纤光栅生化信息传感器向更高的折射率灵敏度、更好的消除温度影响等方向发展有一定的指导作用。

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1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的研究思路与主要内容

2 倏逝波光纤传感器原理分析

2.1 光波在光纤中的传输

2.2 光纤中的倏逝场

2.3 光纤倏逝波传感器的探测原理

2.4 本章小结

3 倏逝波FBG归一化反射率研究

3.1 FBG理论模型

3.2 FBG耦合模理论

3.3 倏逝波FBG归一化反射率

3.4 理论仿真与讨论

3.5 本章小结

4 倏逝波FBG传感器的实验研究

4.1 倏逝波FBG传感器制作

4.2 倏逝波FBG折射率传感特性实验

4.3 本章小结

5 单端腐蚀倏逝波FBG传感器设计及应用研究

5.1 单端腐蚀倏逝波FBG传感器设计与制作

5.2 单端腐蚀倏逝波FBG应用研究

5.3 本章小结

6 结论与建议

6.1 主要结论

6.2 进一步工作建议

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果