倏逝波光纖Bragg光柵傳感器理論及應(yīng)用研究.pdf

1、光纖Bragg光柵(FBG)生化信息傳感器已成為生物光學(xué)這個(gè)交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一,其基本原理是利用FBG的倏逝場(chǎng)來(lái)測(cè)量外部介質(zhì)折射率(SRI)的微小變化量,間接的估算被測(cè)參量的值或評(píng)估生化過(guò)程參量的狀態(tài)信息,該類傳感器又可稱為倏逝波FBG傳感器。目前的倏逝波FBG傳感器一般只利用到倏逝波FBG諧振峰波長(zhǎng)的漂移來(lái)對(duì)介質(zhì)折射率的變化進(jìn)行測(cè)量(兩者是非線性的關(guān)系),而諧振峰幅值并沒(méi)有得到綜合利用。另外,對(duì)介質(zhì)溫度影響的研究不足,由于任何生物

2、醫(yī)學(xué)生化反應(yīng)現(xiàn)象都伴隨著溫度的變化,因此,倏逝波FBG傳感器要走向適用化,必須考慮折射率測(cè)量過(guò)程中溫度對(duì)其影響。
　　本文要深入研究倏逝波FBG諧振波長(zhǎng)點(diǎn)幅值隨SRI變化的機(jī)理及一般規(guī)律。并以此為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)能夠消除折射率測(cè)量中的溫度影響問(wèn)題,且具有高折射率靈敏度的單端腐蝕倏逝波FBG折射率傳感器。最后將其應(yīng)用于蔗糖溶液濃度與溫度的同時(shí)測(cè)量。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)構(gòu)建了兩種最基本類型(包層/纖芯腐蝕型)的倏逝波F

3、BG,得到了倏逝波FBG在不同的腐蝕深度下反射譜帶寬中諧振波長(zhǎng)點(diǎn)幅值與SRI之間關(guān)系,即得到了纖芯腐蝕型倏逝波FBG的歸一化反射率的表達(dá)式,并進(jìn)行了理論仿真。
　　(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)與搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將其應(yīng)用于蔗糖溶液濃度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SRI的增大(小于包層折射率)和FBG腐蝕深度的增大都可以減小束縛在光纖中的能量,使倏逝波更多的、更深入的與外部介質(zhì)進(jìn)行相互作用,從而提高倏逝波FBG傳感器折射率測(cè)量

4、的靈敏度。
　　(3)設(shè)計(jì)并制作了單端腐蝕倏逝波FBG傳感器。利用其結(jié)構(gòu)的特殊性,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的靈敏度矩陣進(jìn)行數(shù)值分析后,得到了可消除溫度影響的較高折射率靈敏度的折射率傳感器。
　　(4)搭建了“溫度-介質(zhì)折射率”同時(shí)變化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用所制作的單端腐蝕傳感器對(duì)蔗糖溶液與溫度進(jìn)行了同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明隨著蔗糖溶液折射率的增加,Bragg波長(zhǎng)近似線性地往長(zhǎng)波方向漂移,對(duì)傳感器靈敏度矩陣進(jìn)行數(shù)值分析后,可得蔗糖溶液折射率靈敏度達(dá)