基于光纖光柵的非均勻介質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、生物化學等諸多領域的快速發(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研究領域的一個重要問題。
　　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的，而當外部介質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，還會出現其他的響應特性，這些能夠反映外部折射率分布情況的響應特性在之前的研究中并沒有得到充分的關注和分析。
　　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呈非均勻分布情況下的響應特性，總結了其變化規(guī)律和相應的產生機理，得到了較為完整的LPFG

3、液相介質折射率響應特性。本文的主要研究內容有以下幾個部分：
　　（1）針對完全去除包層的LPFG折射率傳感器，構建了二層結構的圓光波導模型，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透射譜響應特性。
　?。?）使用傳輸矩陣法和耦合模理論對二層結構的圓光波導模型進行理論研究，分析二層模型的各種響應特性的產生原因，重點闡述了透射譜損耗峰的半值寬度與外部介質折射率

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

5、介質折射率梯度升高情況下的表現。
　?。?）總結了基于LPFG的兩種不同結構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用中可能會遇到的問題，對進一步設計和制作基于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折射率的非均勻分布測量方法，能夠為生物醫(yī)學、生物化學等領域的研究工作提供一種有力的測量手段，對進一步研究基于LFPG的非均勻折射率傳感器奠定了重要的理論基礎，并對實現微