新型結(jié)構(gòu)光纖傳感器及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，環(huán)境污染和工程質(zhì)量問題已經(jīng)成為制約社會(huì)健康、和諧發(fā)展的一個(gè)因素。發(fā)展新型的環(huán)境、工程監(jiān)測(cè)用成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界、工程界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。相比于電子傳感器，光纖傳感器由于具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、易于復(fù)用和遠(yuǎn)程傳感等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。本文針對(duì)這樣一個(gè)研究熱點(diǎn)，介紹了幾種基于新型結(jié)構(gòu)光纖的環(huán)境、工程監(jiān)測(cè)用光纖傳感器。
　　 我們首先提出了一種新型的全光纖模式干涉儀，該干涉儀是通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯光

2、纖之間的模式失配來激發(fā)高階包層模式，高階包層模式和芯層模式發(fā)生干涉形成干涉條紋用作傳感信號(hào)。該干涉儀具有較高的折射率靈敏度（140 nm/R.I.U.（R.I.U:折射率單位））和很低的溫度靈敏度(15 pm/℃)，是理想的生物、化學(xué)傳感器。通過靜電自組裝技術(shù)，可以在細(xì)芯光纖模式干涉儀上自組裝上功能性材料，從而實(shí)現(xiàn)pH，相對(duì)濕度，金屬離子濃度等參量傳感。在pH傳感中，通過優(yōu)化自組裝膜，例如增加膜厚，在膜上引入納米孔等方法，使傳感器具有單

3、調(diào)、高靈敏度、快速、可逆響應(yīng)等特點(diǎn)。在相對(duì)濕度傳感中，通過在細(xì)芯光纖模式干涉儀上刻寫光纖布拉格光柵，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量相對(duì)濕度和溫度的目的，從而可以有效的進(jìn)行溫度補(bǔ)償。我們提出的相對(duì)濕度傳感器具有價(jià)格低，靈敏度高(97.2pm/1％RH)，響應(yīng)時(shí)間快(10s)等優(yōu)點(diǎn)。在金屬離子濃度傳感中，我們提出的傳感器可以用于銅離子、亞鐵離子、鋅離子等金屬離子濃度的監(jiān)測(cè)，具有很高的靈敏度。利用強(qiáng)金屬螯合劑，該金屬離子濃度傳感器可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用。
　

4、　 拉力是工程監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要物理量，我們介紹了兩種新型的光纖拉力傳感器，一種是基于全固態(tài)混合模式保偏光子晶體光纖的干涉儀傳感器。應(yīng)力雙折射光纖可以提高很高的拉力和溫度靈敏度，利用該保偏光纖形成的雙折射干涉儀可以提供23.8 pm/με的拉力靈敏度和-1.12 nm/℃的溫度靈敏度。為了排除溫度對(duì)拉力監(jiān)測(cè)的影響，我們提出了級(jí)聯(lián)的Sagnac干涉儀，其中一個(gè)Sagnac干涉儀用于拉力傳感，另一個(gè)用于溫度補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器仍然保持

5、很高的拉力靈敏度（25.6 pm/με），其溫度響應(yīng)降低到-9 pm/℃，有效的實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。另一種是基于光子晶體光纖中四波混頻現(xiàn)象的拉力傳感器。傳統(tǒng)的拉力傳感器都是基于特種光纖或者光纖后處理技術(shù)，同時(shí)，也都是利用光纖的線性性質(zhì)。本文首先提出了利用光子晶體光纖中四波混頻現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)拉力傳感的技術(shù)。當(dāng)在光纖上施加軸向拉力時(shí)，將引起光纖幾何結(jié)構(gòu)和折射率的變化，從而導(dǎo)致光纖色散的變化。因?yàn)楣庾泳w光纖中四波混頻信號(hào)對(duì)光纖色散非常敏感，所以可以