面向海洋的长周期光纤光栅高灵敏度温度传感研究

摘要

海洋环境中蕴藏有丰富的资源，研究海洋温度传感具有重要意义。光纤光栅传感有着防电磁干扰、本征绝缘、耐腐蚀、便于复用等优势。而长周期光纤光栅(LPFG)的温度灵敏度通常远高于普通光纤光栅。本文首先通过在LPFG侧表面溅射镀制纳米级厚度的TiO2膜层，进行折射率增敏。再涂敷高热光系数的紫外固化胶，实现适用于海洋环境探测需求的高灵敏度温度传感。本课题的研究路线及结果包括：　　1、基于模式耦合原理，对镀膜光纤的四层波导结构进行了建模仿真，研究了镀膜LPFG的谐振峰值波长对于环境及膜层参数的响应。模拟了镀膜LPFG的折射率灵敏度，分析了LPFG由于镀膜引发模式转换，从而实现折射率增敏的原理。　　2、刻制了LPFG，并在LPFG表面镀制高折射率TiO2薄膜，测试了薄膜性质及镀膜LPFG的折射率灵敏度。镀膜厚度约10nm时LPFG在环境折射率1.4413-1.4565范围内平均灵敏度为-3975.56nm/RIU，约为裸栅的2.36倍。　　3、分析了LPFG温度传感及涂敷温度增敏的原理。分别仿真和测试了裸LPFG、涂敷LPFG和镀膜涂敷LPFG的温度灵敏度。获得了最大测温范围5-30℃，最大温度灵敏度3.8nm/℃的镀膜涂敷LPFG，符合海洋温度传感的测试要求。　　4、考虑到温度传感器在海洋环境中的实际应用需求，建立了涂敷镀膜LPFG的有限元模型，仿真了涂敷材料的厚度及导热系数对LPFG的温度响应时间的影响。随后通过嵌合聚合物涂层的表面功能化修饰，增强了LPFG抗蛋白附着的能力，可以用于提高LPFG在海洋环境中的稳定性。

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