基于功能材料復(fù)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(luò)的基石，然而其自身穩(wěn)定的物化性質(zhì)，使得在其中傳輸?shù)墓鈭?chǎng)對(duì)外場(chǎng)和外界生化物質(zhì)沒(méi)有明顯的響應(yīng)，這極大地限制了光纖在其它各領(lǐng)域的應(yīng)用。將光纖與功能材料相結(jié)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(fù)合為突破口，設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jī)會(huì)，還減少光纖橫截面中石英的量，使其更易受應(yīng)變的影響，將其與可將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)化為應(yīng)變變化的磁致伸縮材料相結(jié)合，可制備光纖磁場(chǎng)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(zhì)受特定生化物質(zhì)影響的熒光材料相結(jié)合，可制備光纖生化傳感器。本論文的主要研究成果如下：
　?。?）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(chǎng)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(yīng)變傳感器，實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的應(yīng)變靈敏度為1.78pm/με。在應(yīng)變測(cè)試的基礎(chǔ)上，將Metglas帶狀磁致伸縮材料與FPI相結(jié)合制備了光纖磁場(chǎng)傳感器，測(cè)得的最大磁場(chǎng)靈敏度為2pm/Oe。
　　（2）提出了基于Metglas帶狀磁致伸縮材料和級(jí)聯(lián)光纖本征FPI的光纖磁場(chǎng)傳感器。利用級(jí)聯(lián)FPI腔長(zhǎng)間的微小差別，提出的光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“游標(biāo)效應(yīng)”，大幅改善了光纖傳感器的靈敏度。利用“游標(biāo)

4、效應(yīng)”，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器反射干涉譜包絡(luò)的漂移，得到的應(yīng)變和磁場(chǎng)靈敏度分別為47.14pm/με和71.57pm/Oe。此外，通過(guò)包絡(luò)擬合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變和磁場(chǎng)的連續(xù)性測(cè)量。
　?。?）制備了基于三端面反射的光纖本征FPI傳感器。通過(guò)控制三反射面之間的光程，該光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相似的“游標(biāo)效應(yīng)”，有效改善了測(cè)量靈敏度。提出光纖結(jié)構(gòu)可分別應(yīng)用于溫度、應(yīng)變傳感，將其與Metglas帶狀磁致伸縮材料相結(jié)合，可進(jìn)一步用于磁場(chǎng)傳感。通過(guò)監(jiān)測(cè)反射干涉譜

5、包絡(luò)的漂移，得到的溫度、應(yīng)變和磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器。通過(guò)將較長(zhǎng)可伸縮長(zhǎng)度的Terfenol-D平板和較小腔長(zhǎng)的光纖非本征FPI相結(jié)合，提出傳感器的磁場(chǎng)靈敏度得到大幅提高，最終測(cè)得的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度高達(dá)875.73pm/Oe。此外，通過(guò)傳感器的重復(fù)性測(cè)試，揭示了此磁場(chǎng)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(zhì)的光纖一氧化氮（NO）傳感器。該傳感器利用熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度隨NO濃度增強(qiáng)而增強(qiáng)的特性進(jìn)行NO濃度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，靜電自組裝方法具有更好的重復(fù)性，且制備傳感器的探測(cè)極限可低至1μM/L。未來(lái)該傳感器的探測(cè)極限可進(jìn)一步改善，并有希望用于活體組織中NO的檢測(cè)。
　　本論文初步實(shí)現(xiàn)了特種光纖和功能