裸露纤芯边孔光纤布拉格光栅制备及其折射率传感特性研究

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光纤布拉格光栅(FBG,fiber Bragg grating)传感器具有体积小、稳定性好和良好的选频特性,在生物医学、化学等学科领域及其交叉领域的研究受到越来越多研究者的关注。基于FBG的折射率(RI,refractive index)传感器对于免标记生化传感具有重要的研究意义,研究者们对1.333 RI附近的折射率灵敏度特别感兴趣。边孔光纤(SHF,side-hold fiber)凭借其大空气孔的优势在光纤传感器的微流应用中也受到十分重视。基于以上分析,本论文提出并实现了两种基于裸露纤芯的边孔光纤布拉格光栅(SH-FBGs)的反射型探针结构的折射率传感器,即D形SH-FBG传感器和X形SH-FBG传感器,分别通过侧面抛磨法和化学腐蚀法获得。论文的主要研究工作总结如下:1、采用光纤侧面抛磨法抛磨刻有FBG的边孔光纤的一个空气孔,得到一种D形横截面的SH-FBG传感器,将其制成探针结构。探究该传感器的折射率和温度响应特性,结果显示,在1.333 1.380 RI范围内,光栅的中心波长随RI的增加而红移,呈非线性关系,在1.380 RI附近折射率灵敏度约为24 nm/RIU(RIU为单位折射率);在温度为30 100 C范围内,光栅的中心波长呈线性关系红移,获得传感器温度灵敏度约为14.48 pm/C。综上可知,该传感器可以较好地检测液体折射率变化,但受温度的影响不大,在折射率传感领域有较好前景。2、采用化学腐蚀法腐蚀刻有FBG的边孔光纤的两个空气孔,得到X形横截面的SH-FBG传感器,并探究其折射率和温度的响应特性。实验测量结果显示,随着纤芯部分包层逐渐减小,其双折射越来越明显,且对应的折射率灵敏度越高;当出现双折射时,其两个偏振态对应的反射峰对温度的响应基本一致,但对折射率响应差别较大,因此可作为与温度无关的折射率传感器。在1.333 1.340 RI范围内,传感器获得的最大折射率灵敏度约为15.1 nm/RIU,与相似结构的裸露纤芯微结构光纤FBG折射率传感器相比,在更低的折射率范围内,该传感器的折射率灵敏度提高了3倍多。设计的两种传感器具有的大尺寸空气孔可以作为微流通道应用,有助于实现在线检测和给药功能,且易于制备,成本低廉,未来应用中可将传感器与敏感材料和薄膜相结合,增强光与外界物质的相互作用以提高其折射率传感性能,有望在生物医学等领域实现局部诊疗一体化的应用。
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