基于功能材料復合的特種光纖傳感器件研究.pdf

1、光纖是現(xiàn)代光通信網(wǎng)絡的基石，然而其自身穩(wěn)定的物化性質，使得在其中傳輸?shù)墓鈭鰧ν鈭龊屯饨缟镔|沒有明顯的響應，這極大地限制了光纖在其它各領域的應用。將光纖與功能材料相結合，能有效改善光纖的各種性能。本論文以特種光纖與功能材料復合為突破口，設計并制備了多種光纖傳感器件。文中采用的特種光纖主要有簡化空芯光子晶體光纖（SHC-PCF）和大芯徑多模光纖，采用的功能材料主要包括磁致伸縮材料和熒光材料。SHC-PCF中具有的較大空氣孔洞不僅提供在光

2、纖中填充功能材料的機會，還減少光纖橫截面中石英的量，使其更易受應變的影響，將其與可將磁場變化轉化為應變變化的磁致伸縮材料相結合，可制備光纖磁場傳感器件。大芯徑多模光纖可有效增加光纖的收光能力，將其與熒光性質受特定生化物質影響的熒光材料相結合，可制備光纖生化傳感器。本論文的主要研究成果如下：
　　（1）提出了基于Metglas帶狀磁致伸縮材料和光纖本征法布里-珀羅干涉儀（FPI）的光纖磁場傳感器。該光纖本征FPI在一段SHC-PCF

3、兩端熔接單模光纖（SMF）制備而成。將該FPI直接作為光纖應變傳感器，實驗上測得的應變靈敏度為1.78pm/με。在應變測試的基礎上，將Metglas帶狀磁致伸縮材料與FPI相結合制備了光纖磁場傳感器，測得的最大磁場靈敏度為2pm/Oe。
　?。?）提出了基于Metglas帶狀磁致伸縮材料和級聯(lián)光纖本征FPI的光纖磁場傳感器。利用級聯(lián)FPI腔長間的微小差別，提出的光纖結構實現(xiàn)了“游標效應”，大幅改善了光纖傳感器的靈敏度。利用“游標

4、效應”，通過監(jiān)測傳感器反射干涉譜包絡的漂移，得到的應變和磁場靈敏度分別為47.14pm/με和71.57pm/Oe。此外，通過包絡擬合，實現(xiàn)了對應變和磁場的連續(xù)性測量。
　?。?）制備了基于三端面反射的光纖本征FPI傳感器。通過控制三反射面之間的光程，該光纖結構實現(xiàn)了相似的“游標效應”，有效改善了測量靈敏度。提出光纖結構可分別應用于溫度、應變傳感，將其與Metglas帶狀磁致伸縮材料相結合，可進一步用于磁場傳感。通過監(jiān)測反射干涉譜

5、包絡的漂移，得到的溫度、應變和磁場靈敏度分別為1.019nm/°C，47.922pm/με，85.46pm/Oe。
　?。?）展示了基于Terfenol-D平板磁致伸縮材料和光纖非本征FPI的光纖磁場傳感器。通過將較長可伸縮長度的Terfenol-D平板和較小腔長的光纖非本征FPI相結合，提出傳感器的磁場靈敏度得到大幅提高，最終測得的磁場測量靈敏度高達875.73pm/Oe。此外，通過傳感器的重復性測試，揭示了此磁場傳感器兩種不同

6、的工作模式。
　?。?）提出了基于Ru(II)化合物熒光物質的光纖一氧化氮（NO）傳感器。該傳感器利用熒光物質的熒光強度隨NO濃度增強而增強的特性進行NO濃度的測量。實驗中采用兩種不同的方案制備該傳感器-溶膠凝膠和靜電自組裝法。對實驗結果的分析發(fā)現(xiàn)，靜電自組裝方法具有更好的重復性，且制備傳感器的探測極限可低至1μM/L。未來該傳感器的探測極限可進一步改善，并有希望用于活體組織中NO的檢測。
　　本論文初步實現(xiàn)了特種光纖和功能