光纤表面等离子激元共振温度传感器研究

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表面等离子激元共振(Surface plasmon resonance,SPR)是一种发生在介电常数相反的两种介质交界面的近场光学现象。以此为基础发展而成的表面等离子激元共振传感技术具有灵敏度高、样品免标记、实时监测和可重复使用等多个特点。光纤传感器因其体积小,重量轻,且具有抗外界干扰和抗腐蚀等特点,在工业生产、医疗制造、生化检测和航空航天等多个领域都有应用。随着传感器发展的小型化和集成化趋势,SPR传感技术和光纤传感技术相结合,能够实现高灵敏度、集成化和小型化传感,非常具有发展潜力和市场应用价值,是当前传感技术的研究热点。温度是一个在实验室检测和工业制造监控过程中的重要一个参数。光纤表面等离子共振传感器在温度的测量上具有分辨力、灵敏度高的优势。本文介绍了光纤SPR温度传感器的工作机理和理论模型。同时结合光纤SPR温度传感器的结构特点、加工技术和温度敏感材料的应用等几个方面,建立了基本的光纤SPR温度传感理论模型,并对其进行了结构参数和传感性能上的优化,设计并搭建了几种高效实用的光纤SPR温度传感器,最后对其工作特点和温度传感性能进行了研究和总结。论文的主要工作如下:1.简要介绍了了表面等离子激元产生的机理、表面等离子激元共振发生的基本理论,和SPR传感技术的特点与研究进展,基于表面等子离激元基本理论和光纤传感原理,对光纤SPR传感技术进行研究和分析,介绍了各种光纤SPR传感器的类型与应用。同时建立光纤SPR传感系统的理论模型,并优化该理论模型中各个参数对传感特性的影响。2.光纤SPR温度传感器作为光纤SPR传感器中的一种,通过结合不同材料的特殊性能来优化温度传感器的灵敏度和传感方式。基于光纤SPR温度传感技术的理论,设计制作一种由液晶作为温敏材料的双通道自校准光纤SPR温度传感器。通道1部分是由液晶和其包覆的镀有40nm金膜的纤芯组成,可以实现分段温度检测和温度跳变报警,在20-34.5°C的温度范围内其灵敏度为1.006nm/°C,在35-80°C的温度范围内具有0.058nm/°C的灵敏度,并且在34.5°C由于液晶的相变传感曲线发生了6.8nm的跳变。通道2为氧化铟锡和银双层膜组成的温度校准通道。该光纤SPR温度传感器实现了对温度的检测、校准以及报警等功能,适合应用于生化、物理实验的温度检测和报警功能。3.研究了光纤研磨倾角对光纤SPR传感器的传感特性的影响,制作了一种基于光纤研磨技术的反射式光纤SPR温度传感器。将多模光纤一端抛光,另一端研磨成夹角为90°的不对称楔形,可以成功激发SPR现象并完成反射式传感。文中对不同大小的研磨角下的光路进行模拟和优化,并结合温敏材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)对传感器的传感特性进行优化和选择。最终得出了最适合该结构的光纤研磨角度为83°。探针部分采用50nm和300nm的传感层和反射层的镀金设计,并用PDMS将其反射端包裹住。最终经过传感性能的测试,发现其在20-90°C的温度范围内有着良好的温度敏感性,其温度灵敏度为-2.02 nm/°C。该光纤SPR温度传感器不仅在测温时有着良好的表现,而且测量方式上更为简便,更适合工业生产过程中的温度检测,是一种比较有应用前景的光纤SPR温度传感器。最后对论文进行总结,并对光纤SPR温度传感器的研究和发展进行了展望。结合传统的金属膜系结构、金属纳米周期结构以及新型温度敏感材料,对如何进一步提高光纤SPR温度传感系统的灵敏度和分辨率等特性提出了自己的见解。
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