转：光纤倏逝波谱传感系统

​简介

传统的直接光吸收型传感器已广泛应用，且在生化分析领域发挥了重大作用，但这类传感器通常存在结构复杂、体积大、微型化程度低、不易实现在线测量等缺点，这将限制其应用范围。近年来，随着光纤传感技术的迅猛发展，光纤倏逝波传感器作为其中的研究热点之一受到国内外学者的广泛关注。光纤倏逝波吸收传感器因其具有所需样品少、对散射不敏感、无损检测等优点，在生物医学、生化过程控制及环境检测等领域有着广泛的应用前景，并成为光纤倏逝波传感器的一个重要发展方向。 光纤倏逝波吸收型传感器是利用光纤包层中的倏逝波能量被吸收，而引起传输能量的变化来检测待测样品的生化信息的新型传感器。目前，对光纤倏逝波吸收型传感器的研究主要集中在传感器结构设计、传感机理及光信号探测方法等方面的研究，为此开展了广泛的实验研究和理论探索。本文从光的电磁理论出发，分析了影响倏逝波吸收系数的包层功率占有率，以及影响传感器灵敏度的各种因素；在理论分析的基础上，设计并搭建了两种光纤倏逝波谱传感系统。本文的主要工作包括以下几个方面： （1）光纤倏逝波吸收型传感器理论方面：研究了平面波导结构及光纤波导结构中倏逝波的形成原理及其基本特性。研究了传感器工作时的能量传输关系，推导了两种不同情形，即弱导和强导情形时传感器倏逝波吸收系数的表达式，对弱导条件时该系数表达式中的包层功率占有率，依据电磁理论进行了分析，并根据两种不同情形时的倏逝波吸收系数表达式，结合传感器的能量传输关系，得到了各自的灵敏度表达式。 （2）对影响倏逝波吸收系数的包层功率比的数值模拟方面：通过数值计算的方法模拟分析了弱导条件时的线偏振模LP01模及多模光纤的包层功率比随传感光纤直径及包层折射率的变化关系，结果表明：包层功率比随传感光纤直径的减小、包层折射率的增大而增大。 （3）传感器灵敏度数值模拟分析方面：通过数值计算的方法模拟了传感器灵敏度随传感光纤包层功率比、半径、长度、外部介质折射率等的变化关系。结果表明：传感器灵敏度与传感光纤长度、包层功率比、外部介质折射率成正比，而与光纤半径成反比。 （4）传感器的制作及光纤倏逝波谱传感系统的设计与搭建方面：利用HF酸腐蚀光纤的方法，制作了透过式光纤倏逝波吸收型传感器，通过腐蚀实验研究得到了光纤腐蚀直径与腐蚀时间的关系。针对该结构设计并搭建了相应的传感系统，并对理论分析中影响灵敏度的部分参数进行了实验验证。对透过式传感器进行改进，得到基于FBG反射式的光纤倏逝波吸收型传感器，设计并搭建了相应的传感系统，并利用所设计的传感器对KMnO4溶液浓度传感特性进行了实验研究，实验结果表明：在相同的光纤倏逝波传感的敏感区长度的情况下，反射式光纤倏逝波吸收型传感器灵敏度是透过式灵敏度的2倍，表明了理论分析的正确性。同时，在相同灵敏度要求的情况下，反射式所需倏逝波传感的敏感区长度是透过式的一半，该方式更利于实现微型化。