基于光纖光柵的非均勻介質(zhì)折射率分布測量研究.pdf

1、基于光纖光柵的折射率傳感器是以光纖光柵為傳感元件，用來測量處于光柵區(qū)域外部的介質(zhì)折射率分布情況的一種傳感器，它以其微小的傳感器體積和較高的測量精度逐漸成為折射率測量中的一個重要的研究方向。隨著生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展，研究中對于折射率等物理參量的測量尺度和精度的要求也在不斷提高，對于微尺度下的生化信息獲取成為相關(guān)研究領(lǐng)域的一個重要問題。
　　目前，對于基于光纖光柵的折射率傳感的研究主要集中在均勻的折射率分布情況，其傳

2、感是依靠監(jiān)測光柵諧振峰中心波長的漂移來實現(xiàn)的，而當(dāng)外部介質(zhì)折射率呈非均勻分布情況時，光纖光柵諧振峰除發(fā)生漂移之外，還會出現(xiàn)其他的響應(yīng)特性，這些能夠反映外部折射率分布情況的響應(yīng)特性在之前的研究中并沒有得到充分的關(guān)注和分析。
　　在此背景下，本文深入研究了LPFG（長周期光纖光柵，long-periodfibergratings）的透射譜對外部介質(zhì)呈非均勻分布情況下的響應(yīng)特性，總結(jié)了其變化規(guī)律和相應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，得到了較為完整的LPFG

3、液相介質(zhì)折射率響應(yīng)特性。本文的主要研究內(nèi)容有以下幾個部分：
　?。?）針對完全去除包層的LPFG折射率傳感器，構(gòu)建了二層結(jié)構(gòu)的圓光波導(dǎo)模型，計算該模型在不同折射率梯度分布情況下的透射譜，分析其透射譜中損耗峰的變化規(guī)律，從而得到去除包層情況下的LPFG透射譜響應(yīng)特性。
　?。?）使用傳輸矩陣法和耦合模理論對二層結(jié)構(gòu)的圓光波導(dǎo)模型進(jìn)行理論研究，分析二層模型的各種響應(yīng)特性的產(chǎn)生原因，重點闡述了透射譜損耗峰的半值寬度與外部介質(zhì)折射率

4、梯度呈良好線性關(guān)系的機(jī)理。
　?。?）為了提高基于LPFG的折射率傳感器的實際應(yīng)用性能，考慮到機(jī)械強(qiáng)度以及制作工藝等因素，構(gòu)建了三層結(jié)構(gòu)的圓光波導(dǎo)模型，計算該模型在不同外部介質(zhì)折射率分布情況下的透射譜，分析其損耗峰的變化規(guī)律，得到完整結(jié)構(gòu)的LPFG透射譜響應(yīng)特性。
　　（4）結(jié)合相關(guān)光學(xué)原理，用傳輸矩陣法和耦合模理論對三層結(jié)構(gòu)的圓光波導(dǎo)模型進(jìn)行研究，闡述該模型各種響應(yīng)特性的產(chǎn)生機(jī)理，并重點分析了光纖光柵的旁瓣效應(yīng)，及其在外部

5、介質(zhì)折射率梯度升高情況下的表現(xiàn)。
　?。?）總結(jié)了基于LPFG的兩種不同結(jié)構(gòu)的折射率傳感模型的優(yōu)勢和劣勢，從不同角度分析了兩種傳感器在實際應(yīng)用中可能會遇到的問題，對進(jìn)一步設(shè)計和制作基于LPFG的非均勻折射率傳感器提出了一定的建議。
　　本課題所研究的對液相介質(zhì)折射率的非均勻分布測量方法，能夠為生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究工作提供一種有力的測量手段，對進(jìn)一步研究基于LFPG的非均勻折射率傳感器奠定了重要的理論基礎(chǔ)，并對實現(xiàn)微