（光学工程专业论文）光纤光栅折射率传感技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、适应恶劣环境、便于波 分复用、易于构成多点传感网络等优点，已经广泛用于民用工程结构、航空航天等领 域的应力、应变和温度传感。此外，光纤光栅，尤其是长周期光纤光栅( i j p g ) 还对 外界折射率的变化很敏感。由于折射率传感在生化应用方面的重要性，如环境监测、 医学诊断、石油化工等方面，所以基于折射率传感的光纤光栅生化探测技术正处于不 断深入的研究之中。 在光纤光栅生化传感中，灵敏度以及温度交叉敏感是其中存在的两个主要问题。 本文以提高折射率传感的灵敏度和解决折射率传感中的温度交叉敏感问题为目标，分 别用光纤布拉格光栅( f b g ) 、长周期光纤光栅( l p g ) 、以及l p g 构成的m z 干涉仪 实现了折射率的传感，主要完成了以下方面的研究工作并取得了若干创新性的成果： 首先用耦合模理论和传输矩阵法分析了f b g 和凹g 的光学特性，然后介绍了光 纤的光敏性，归纳比较了光纤光栅的各种制作技术。在课题期间，合作研制了光纤高 压载氢系统，并参与搭建了一套光纤光栅制作系统，为整个研究工作提供了良好的实 验平台。 研究了f b g 折射率传感技术。理论分析了光纤包层直径减小时b r a g g 波长的变化， 以及不同包层直径下光纤的导模有效折射率随外界折射率变化的关系；设计了f b g 的 腐蚀和测量的实验装置，制定了f b g 的腐蚀工艺，对不同腐蚀程度的f b g 进行了折 射率测量的实验，结果表明腐蚀程度深的f b g 对外界折射率具有更高的灵敏度。 l p g 的耦合特性决定了它本身对外界折射率敏感，通过包层腐蚀的方法可进一步 提高传感灵敏度。理论分析了光纤包层直径减小对l p g 的共振波长以及外界折射率测 量灵敏度的影响，并对两组l p g 分别进行了不同程度的腐蚀和折射率测量的实验，结 果表明腐蚀后的l p g 对外界折射率的灵敏度得到了提高，并且首次得出如下结论：随 着腐蚀程度加深，在某波长附近耦合的包层模的阶数虽然减小了，但是利用此包层模 对外界折射率传感的灵敏度仍然得到了提高。 两个 3d b 透射率的l p g 构成了l p g 马赫一泽德干涉仪，这种特殊的祸合机制使 得它对外界折射率敏感，而且相比单个l p g 具有更精细的干涉条纹，可以提高波长检 测的分辨率。我们在l p g 马赫泽德干涉仪的基础上，提出了它对外界折射率传感的灵 敏度提高的两种方案：1 ) 包层腐蚀的l p g 马赫一泽德干涉仪：包层直径的减小使得包 层模式的光波场有更多的部分分布在外围介质中，从而能提高对外界折射率的灵敏度， 理论分析并实验观察了包层腐蚀时的光谱演变过程，实验比较了不同腐蚀程度的l p g i 一 浙江大学博士学位论文 马赫一泽德干涉仪对外界折射率测量的灵敏度，结果表明虽然随着腐蚀程度的增大， 在1 5 5 0n m 附近的干涉峰对应耦合的包层模阶数减小，但是用该干涉峰作为对外界折 射率传感的灵敏度仍然得到了很大的提高。2 ) 双锥l p g 马赫泽德干涉仪：在构成 i j p g 马赫泽德干涉仪的两个l p g 中间，通过拉锥处理引入一段双锥光纤，使得包层 模在外围介质中的倏逝波增强，从而提高对外界折射率传感的灵敏度。实验结果表明 光纤锥可以很有效地提高灵敏度，而且灵敏度大小可以通过控制拉锥程度来定制，其 中双锥l p g 马赫- 泽德干涉仪( 锥区长1 6m m ，锥腰直径为3 8 7 5 m ) 的灵敏度是未 拉锥的l p g 马赫泽德干涉仪的5 倍。 最后，针对光纤光栅折射率传感中的温度交叉敏感问题，提出了一种夹层结构的 长周期光纤光栅方案。所谓夹层结构，是指由三个l p g 组成，两个一3d b 的l p g 构成 l p 0 型m z 干涉仪，利用低阶包层模的耦合作为温度参考单元，而在中间夹有一个利 用高阶包层模耦合的l p g 作为外界折射率测量单元。利用l p g 的不同阶数包层模对外 界折射率变化响应的灵敏度不同，而对温度变化的灵敏度差异很小的特性，进行折射 率腽度的同时测量。这种夹层结构的长周期光纤光栅方案具有结构平衡、制作简单、 实用性强等优点。 关键词：光纤传感器，光纤光栅，m z 干涉仪，折射率测量，生化传感，腐蚀，光纤 拉锥，灵敏度，温度交叉敏感 一i i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t f j b e rg r a t j n gs e n s o r so f f e rn u m e r o u sa d v a n t a g e so v e r t r a d i t i o n a lt m l l s d u c e r sd u et o t h e i ts m a l ls i z e ，h i g hs e n s i t i v i t xi m m u n j t yt oe l e c t f o m a 辞e t i ci n t e r f e r e n c e ，e n v i r o n m e n t a l n l g g e d i i e s s ，w a v e l e n 簪hm u i t i p i c x i n 昏p o s s i b i l i t yo fd i s t r i b u t e ds e n s i n 岛a n dl l a v eb c e n s u c c e s s f u l l yu s e di nm a n ya s p e c t s ，s u c ha sd v i l a e m s p a c es y “e m sf o rs t r u c t u r a lh e a l m e n 百n e e f i n ga n ds m a ns t 兀l c t 玎r e s ，m a i n l yf b c u s i n go nt h es c n s i n go fs t r a i na n dt e m p e r a t u r e f i b e rg r a t i n g s ，e s p e c i a l l yl o n g p e r i o dg r a 缸g s ( i j p g s ) a r es e n s i t i v et ot h ec i i a n g co fe x t e m a l r e 丘a c t i v ei n d c x 饵r i ) ，w h i c hc a l lb eu s e da sr c 劬c t 伽e t e r s m o e v e r ”f r a c t i v ei n d e x ( r d s e n s i n gi sv e r yi m p o n a n tf o rb i o l o 西c a l a i l dc h e m j c a j a p p l j c a t i 叫s i ne n v i r o n m e n t a l m o n i t o i n g m e d j c a ld i a g n o s i ga i l dl i q u i dh y d r o c a r b o nl e a kd e t e c t i n 吕e t c ，i nw h i c hc a s ea n u m b e fo fs u b s t a n c e sc a nb ed e t e d e dt h i o u g hm e a s u r e m e n t so ft h er e f r a c t i v ei n d e x t h e | c f o r ef i b e r - g r a t i n 争b a s e db 沁h e m i c a ld c t e d i n gt e c h n o k 西e sh a v e b e e na t t r a c i e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n sr c c e n t 重y r e f m c t i v e i n d e x ( r i ) s e n s i n gi st h ee s s e n c co f 劢e r - g r a t i n g _ b a s e db j o c h e m i c a ls e | 】s o r s ， a i i da c h i e v i n gh 蟾hs e n s i t i v i t ya j l ds o l v i n gp o t e n l j a i t e m p e r a t u r cc r o s s s e n s i t i v i t ya r et h et w o m a j o rp m b l e m s i nt h j sw o r kw ee m p l o y e dn b c rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，i o n g - p e r j o dg r a t i n g ( l p g ) ，a n dl p gb a s e dm zi n t e r f e r o m e t e rt oc a r r yo u tt h er is e n s j n g ，m a i n l yf o c i l s i n go n i m p r o v i n gt h es e n s i t i v i t yt oe r ia n ds i m u j t a n e o u sm e a s u f c m e d to fr i 柚dt e m p 啪t u r e w e c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 、和r ka n db r o u g l i tf o r w a r ds o m ei n n o v a t i v es c h e m e s f i r s t l y ，t h es p e c t r a lp r 叩e 而e so ff b g 锄di j gw e r ea n a l y z e dw i t ht h ec o u p l e dm o d e t h e o r y 强dt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，t h e nt h ep h o t o s c n s i t i v i t yo f 矧) e 1w a si n t r 硼u c e da n dt h e f 曲r i c a t i o nl e c h n i q u e so ff i b e rg r a t i n g s 、耽r es u m m a r i z e d d u r i n gt h ep m j e c t ，w eh a v e d e v e l o p e d a h i g h p r e s s u r eh y d r o g e n l o a d j n gs e t u p a n de s t a b l i s h e daf i b e r g r a t i n g f a b r i c a t j n gs y s t e m ，w l l j c hp r o v i d e ag o o de x p e r i m e n t a lp l a t f 0 册f o rt t l er c s e a r c hw o f k t 1 1 e n ，f i b gr e 疗a c t i v ei n d e xs e n s i n gw a si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l i ya n de x p e r i m e n t a l l y t h er e l a t i o n s h i pb e 咐e e nt h cb r a g gw a v e l e n g t ha i l df i b e rd a d d i n gd i 锄e f c rw a sa l l a l y z c d ， a sw e l la st h ec h a n g eo ft h ee f e c t i v ei n d e xo ft h eg u i d e dm o d eo ff i b e r sw i t hd i f 琵r c n t c l a d d i n gd i a m e t e r sa se r lc h a n g e s i nt l l ee x p e r i m e n t ，w ed e s i g n e da n df a b r i c a t e da n e x p e r i m e n t a ld e v i c ef 眦b o t he c h i n ga n dr lm e a s u r i n 岛e t c h e dt w of b g sw i t hd i 肮r e n l e t c h i i l gd e g r e e sa n dt h e nt e s t e dt h e i rs e n s i t i v i “e st oe r i n er im e a s u r e i n e n tr c s u l t sh a v e s h o w nt h a c t h i n n e rf b g p o s s e s s e sh i 曲c fs e n s j t i v i t y 耵l ec o d i r e c t i o n a lc o u p l i n gb e 撕e e nt h eg l l i d e dm o d ea i i d d a d d i n gm o d ei n 廿g m a k e sj tj r 山e r e n t l ys e n s j t j v et oe r i 1 1 1 ee f f 色c to fr e d u c i n ga b e fc l a d d i n 2o fl p go nt h e s h 讯o fr e s o n a n c ew a v e l e n 舀ha n do nt h es e n s i t i v i t yt oe r lw a st h c o r e t i c a l l ya n a l y z e d w 色 e t c h e dt w o 粤d u p so fl p gw j l hd j 丘e r e n td e 毋r c e s ，a l l dl h e nf i n i s h e d h er im e a s u r e m e n tw i t h t h ee t c h e dl p g s t h er c s u l 拈h a v es h o w nt h a t t h es e n s i t j v i t yo fl p g t oe r ic a r ib eg r c a t l y i m p i o v e db ye t c h i n gt h ef m e id a d d i n g f u f t h e f m o r e ，i tw a so b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m et h a t i i i 浙江大学博士学位论文 t h es c n s i t i v i t yo ft h el p gt oe r ij si n c r c a s i n gw i t he t c h i n gd e g r c e ，w h i l et h eo r d e ro ft h e c l a d d i n gm o d e ，w h i c hi n v o l v e di nl h ec o u p i i n gw i t hg u j d e dm o d ea t t h ec e n a i nw a v e l e n 班h ， i sd e c r e a s e d t w oi d e n t j c a il p g sw i t h 3d bt m s m i s s i o nc o n s i s to fa nl p g b a s e dm a c h z c h n d e r i n t c r f c f o m c t c r ( l p g m z i ) ，w h i c hi ss e n s i t i v et o e r id u et oi t s s p e c i a lm o d ec o u p l i n g m c c h a n i s m c o m p a r j n gw j t has i n g l cu gl p g m z lp o s s e s s e sn a h d w e rr e s o n 锄c ep e a ：l 【s a n d 髓ni m p r o v et h es p e c t r a l q u a l i t yo ft h e1 0 s 争d i p f o r h i 曲a c c u r a c yw a v e l e n g t h m e a s u r c m e n t t oi m p r o v em es e 璐i t i v i t yo fi j p g - m z it oe r i ，w ep m p o s e dt w on 0 v e l s c h e m e s ，0 n ei se t c h e dl p g m z j 柚dt h eo t h e ro n ei s 抽c r i t a p e rs e e d e dl p g - m z i b ye t c h i n gt h e 劢c rc l a d d i n go fl p g - m z i ，m o r c “a i i e s c e n tf i e i do fd a d d i n gm o d ea r e d i s t r i b u t e da n di n t e r a c t sw i t ht h es u n o u n d j n gm e d i u m ，w h i c hi m p r o v e st h es e n s i t i v i t y w e t h e o r e t i c a l l ya n de x p e d 棚e n t a l l yc h a f a c t e r i z e db o t ht h es p e d n l mo ft h ee t c h e dl p g - m z i s a n dt h e j rr c s p o n s e st ot l l ec h a i l g eo fe r i t l l er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h er e s p o n s eo ft h e i n t e r f e r e n c cd i pa tt h ew a v e l e n 斟ha m u n d1 5 5 0n mo ft h ee t c h e dl p g m z lw i t hl e s s c l a d d i 玎gd i a m e t e ri s s m lm o r cs e n s i t i v et ot h ec h a i i g eo fe r i ，t h o u g l it h eo r d e ro ft h e i n v o l v e dd a d d i n gm o d ei sd e c r e a s e d i na 劢e r t a p e rs e e d e dl p g - m z i ，t h e 石b e 卜t a p e rs e c t i o nm a d eb e 咐e e nt h e 撕ol p g s c a ns i g n 访c 卸t l yj m p r o v et h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o rb e c a u s et h ee v a n e s c e n tf i e l do f t h e s e l e c t e dc l a d d i f i gm o d ej nt h es u r r o u n d i n gm e d i u mi si n c r e a s e db yf i b e rt a p e r i n 昏n l e e x p c r i m e n t a lr c s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es e n s i t j v i t yo fl p g m z l t oe r ic a nb ee f f i c i e n t l v i m p r o v e db ya 舳e r t a p e r a i i dc a nb en e x i b l yt a i l o r e db yt h et a p e 血gd e g r c e e i l l i a l l c e d s e n s i t i v i t yo ft h ef i b e r t a p e rs c e d e dl p g m z lw i t hat a p e rl e n 舀ho f1 6m ma n dat 印e rw a i s t o f3 8 7 5 肛m w h i c hw a sf i v et i m e sh i g h e r t h a i lt h a to fan o m a ll p g - m z i ，w a sa c h i e v e di n t h ee x p e r i m e n t f i n a l l y ，t h es i m u i t a n e o u sm e a s u f e m e n to ft e m p c r a t u r ea n de r lw a sp t e s e n t e db yu s i n g as a n d w i c h e ds t m c t u r eo fi j p g s a nl p g - m z lw i t hc o d i r e d j 咖a lo o u m i n gb e 柳e e nt l i e g u i d e dm o d e 锄dai o w 0 r d e rc i a d d i n gm o d ea c t sa sat e m p e r a t u r es e n s o rw i t h1 0 wr l s e n s i t i v i t y ，w h e r e a sa i l o t h e ri 1 1 b e t w e e nl p gw h i c hc o u p l e st h eg i l j d e dm o d ew i t hah i g l e r o r d e rc l a d d i n gm o d ep e r f o 册sa sa nr i s e n s i n ge l e m e n t t 1 l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o ws u c h ab a i a n c e da l l l p gs t n l c t u r e i sn o t o n l y s u i t a b l ef o ru s ea sa c o m d a c t t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dr is e n s o r ，b u ta l s oc o n v e n i e n tf o rf a b r i c a t i o n k e y w o r d s ： 0 p t i c a lf i b e rs e n s o r s ，劢e rg r a t i n g s ，m zi i l t c m r o m e t c r ，r e f r a c t i v e - 砌e x ( 柚 m e a s u r e m e n t ， b i o c h e m i c a l s e n s i n g ，e t c h i n g ， f i b e r t a p e r ， s e n s i t i v i t y t e m p e r a t u r e c f o s s s e n s i t i v i t y 一l v 浙江大学博士学位论文 【2 0 l 。瑞典p h a m a c i a 公司的b i a c o t e 系列产品1 2 1 1 已占据国际市场主导地位，美国t i 公 司【2 2 、英国的l a s v s 公司、以及日本、德国也都有自己的产品。 光纤光栅生化传感与s p r 生化传感技术虽然在原理上有许多相似之处，都是通过 测量折射率的变化来实现无标记、实时连续检测生化反应或物理变化，但是与s p r 生 化传感器检测光强信息不同，光纤光栅生化传感器检测的是波长信息，所以从根本上 排除了各种光强起伏引起的干扰，因此具有更强的抗干扰能力。由于光纤光栅设计及 制作灵活，以及小型化与可操控性等优点，光纤光栅在研制微型探针式生化传感器上 具有更大的优势。 基于折射率变化测量的光纤光栅生化传感技术可以广泛应用于以下领域：在环 境保护方面，通过折射率的测量可以监控水中亚硝酸盐浓度、铬离子浓度等1 2 3 r 嘲，可 为公共健康和生态影响等提供资料。在医疗保健方面，可用于血糖浓度，p h 值的测 量，生物体中酶、抗原、抗体、d n a 等生物量的检测分析；在食品方面，测肇各种 果汁、软饮料、蜂蜜等液体中的糖度和番茄酱、蛋黄酱、盐汁中的盐度，可用于糖厂、 罐头厂、食品厂、酒厂、饮料厂的原料检验、生产过程检验及产品质量检验需受； 在药品和化工制品方面，测量溶液的浓度和折射率以控制产品的质量，等等。可见， 光纤光栅折射率传感技术是生化传感的一个很有发展前景的重要分支，将为我国的圈 民经济发展和国防现代化建设作出重大贡献。 本文针对光纤光栅折射率传感技术进行了深入研究，重点对光纤光栅折射枣测量 中如何提高测量灵敏度的问题和普遍存在的温度交叉敏感问题提出了相应的解决方 案。 1 2 光纤光栅的分类及其在传感领域的应用 光纤光栅是一种新型的光子器件，它可以控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅 的研 室中制作的世界上二第一根光纤光栅，以及1 9 8 9 年美国的g m e l i z l 2 7 】等人发明的紫外侧写入技术。随后，1 9 9 3 年hilj与kmajre分别提出相位掩模成栅技术f28j和低温高压载氢技术【29j。这两项技术 相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本与制作难度，从而在世界各地掀起了基于光 纤光栅应用研究的热潮。随着光纤光栅制作技术的不断发展，光纤光栅的种类也口益增多，应用也越来越广泛。 第一章绪论 1 - 2 1 光纤光栅的分类 随着光纤光栅制作技术的不断发展以及光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅 的种类也日益增多。根据不同的分类标准，我们可以把光纤光栅分成不同的类别。 1 按光纤光栅的周期分类 根据光栅周期的长短，把周期小于1 “m 的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为 布拉格光纤光栅( f i b e rb t a g gg r a t i n g ，f b g ) ；而把周期为几十到几百，咖的光纤光 栅称为长周期光纤光栅( h g - p e r i o dg r a t i n g ，u g ) 。f b g 中传输方向相反的两个模 式之问发生耦合，如图1 1 所示，所以f b g 是一种反射型工作器件，其功能实质上是 在光纤内的一个窄带反射镜。l p g 中耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层模之间， 如图1 - 2 所示，它是一种透射型工作器件，其功能实质上是透射型带阻滤波器p o l ，是 e d f a 增益平坦【3 l 】【3 2 1 和光纤传感1 1 6 1 的理想元件。 f o n v a r dc o r em o d eb a c i ：w a r dc o r em o d e 图l 一1f b g 的模式耦合示意图 图1 2l p g 的模式耦合示意图 一4 第一章绪论 生化分子识别元件( 生物敏感膜、化学敏感膜) 对生物、化学量进行测量或传感的技 术。当生物、化学量变化时，由于生物化学的特异性反应而导致生化敏感膜折射率的 变化或生化敏感膜膨胀而引起光栅的应变，另外化学物质的浓度变化会直接引起溶液 折射率的变化，光纤光栅的共振波长将随着外界折射率的变化或应变的变化而发生变 化，通过测量共振波长的变化情况，就可以得到生物、化学量的变化，这就是光纤光 栅生化探测的原理。 基于折射率变化测量的光纤光栅生化探测技术应用越来越广泛，目前研究工作主 要集中在两个方面：一、光纤光栅折射率传感技术这方面的原理性研究，着重于如何 提高折射率传感的灵敏度，以及如何解决折射率温度同时敏感问题。二、与生化敏感 材料相结合的应用研究，这是一个多学科交叉的领域。因此，在光纤光栅生化探测技 术中，光纤光栅折射率传感技术的研究是至关重要的。 1 3 1 光纤光栅折射率传感技术 在光纤光栅折射率传感器中，需要通过波导模式的倏逝波场与外部介质的相互作 用这种机制，导致波导模式的有效折射率变化，从而使光栅的共振波长发生变化。为 此，人们提出了应用不同光纤光栅来实现折射率的传感，并提出了许多种方法或手段 来提高测量灵敏度，如腐蚀或侧面抛磨的f b g ，l p g 、闪耀光栅、多模光纤l p g 、f b g 构成的f f p i 、以及l p g 构成的m z 干涉仪等等，下面对这些方法分别进行简单介绍。 1 f b g 方案 在利用f b g 进行折射率传感时，要使芯层导模的倏逝波场能延伸到外部介质中， 必须通过腐蚀或侧面抛磨处理等方法使芯层导模通过其倏逝波能够直接感受到外部介 质。 ( 1 ) 腐蚀普通f b g a s s e h 等人f 8 ，j 最早提出用腐蚀光纤包层的办法可以实现折射率测量，理论计算出 当外界折射率非常接近包层折射率时，其灵敏度可达到4 6 1 0 。6 r i u 。p e r e i r a 等1 8 4 l 用双 f b g 来实现温度和盐度的同时测量，其中腐蚀后的f b g 对折射率测量的灵敏度为7 3 n 耐r i u 。后来，h d i c i c c o 等【8 5 l 将f b g x 第一蕈绪论 耦合，而包层模能够通过其倏逝场感知外界折射率变化，当折射率变化时，透射光谱 中的上下包络都会发生变化，据此他们提出了一种利用透射谱包络计算折射率的海撼t 知酒洌渤豁鹫带霎囊鋈蠹垂：了憔满渤萋霜强礤溜； 己：i ：5 ! ! 望蓁丽手嘲必稽蛭= 凛璩噔囊姜蚕递捕稚蠢囊匣蝣驰。璎迥型嚣摹尘烂犁您臻，醚筏驾必翳塑b 海铺 翡习涌群j 等霉箭毒羹燔准窭霎囊拯硼； 婆j 光栅周期、长度、光谱响应等。逐点写入法的原理如下：利用狭缝 控制对光敏光纤的曝光宽度，对一点曝光后将狭缝沿光纤轴线移动一个周期，对下一 周期的点进行曝光，这样逐点曝光，即可在一段光纤上写入光栅，因此可以通过控制 曝光宽度及曝光点间的间隔等来灵活控制l p g 的光栅周期、长度等参数，从而得到不 同特性的l p g 。 我们的光纤光栅制作系统由几个部分组成：由激光器、光学系统、掩模板光纤组 成的光学部分、控制系统部分、以及光谱实时监测部分等，各部分之间的关系如图2 7 所示。其中， 显微成像系统用于观察估计相位掩模板和光纤之间的距离；光谱监测系 统由a s e 宽带光源和光谱仪组成，在光栅制作过程中可实时监测光谱的变化过程。而 制作过程控制软件是整个制作系统的核心，分别通过光纤串口通信和g p i b 接口控制准 分子激光器和精密线性平移台，实现了激光器和线性平移台的一体化控制，从而使光 纤光栅的制作达到自动化程度。 圈一圈一区习 晶二占占 光纤串口i ， ll ，l 厂l 蔫嬲l 一厂习l 兰兰竺竺三竺i 图2 7 光纤光栅制作系统框图 浙江大学博士学位论文 i d v i l l a r 等人f 9 。】用静电自组装技术将聚合物材料【p d d a 卯o l y r 4 7 _ 1 镀到l p g 上， 实验观察到当涂覆层达到一定厚度时，其中的一个包层模将在涂覆层中传导。针对具 体的外界折射率范围，通过优化涂覆层的折射率及厚度，可大大提高对外界折射率的 灵敏度，如外界折射率变化范围1 1 1 ，没有涂覆处理的l p g 的三、四、五阶包层模 对应的共振波长移动量分别只有0 0 1n m ，0 0 3n m 和o 0 5n m ，而镀了2 7 8 5n m 厚( 三 阶包层模的优化厚度) 的涂覆层i p d d a + p o i y s 1 1 9 一l ( 折射率为1 6 7 ) 后相应地波长移 动量分别增加到了4 6 3n m ，9 3 3n m 和8 3 4n m l l 删。 ( 2 )腐蚀光纤包层可提高l p g 的灵敏度 通过h f 酸腐蚀光纤包层可以调节l p g 的共振波长向长波长方向移动【1 0 1 】f 1 吲，而 且，包层减小后的l p g 对外界折射率的灵敏度可以大幅度提高【1 0 3 】1 1 0 ”。相比其他的光 纤处理工艺，h f 酸腐蚀光纤包层是一种成本低、易控制实现的工艺方法。 k w c h u n g 等人1 1 0 5 写有l p g 的光纤直径腐蚀到3 5 肛m 后，利用其最低阶包层 模的共振波长进行测量，在1 1 4 3 的折射率范围内，波长移动量为3 4 n m ，而对应未 腐蚀的l p g 其波长移动只有8n m 。他们从理论上预测，如果利用三阶包层模耦合，则 包层直径腐蚀到3 5 m 的l p g 的波长移动可达2 2 5n m 。 x c h e n 等人【1 0 4 j 将l p g 写在d 型光纤上，其折射率灵敏度比普通s m f 上的l p g 要高，对d 型光纤腐蚀后，更进一步提高了对外界折射率的灵敏度。 ( 3 1多模光纤中的l p g 在多模光纤的l p g 中，因芯层模式数量很多，导致几乎在所有波长上都存在芯层 模和包层模的耦合，所以波长与折射率的依赖关系就无法分辨，但是输出光功率随着 折射率的变化而变化，而且周期较短的l p g 对外界折射率的灵敏度较高【1 0 6 j 。 基于倏逝波吸收的原理，可用多模光纤l p g 对具有一定吸收的化学样品进行浓度 测定，如水溶液中c r 离子浓度1 1 明、氨气浓度1 1 吲、亚甲基蓝( m b ) 燃料溶液浓度f 1 删、 等。s t k e 等人1 1 叫测量不同m b 燃料浓度的实验结果表明多模光纤上1 0m m 长的 l p g 的灵敏度与1 0 0m m 长的传统倏逝波光纤传感器相当，最小的可探测浓度达1 0 n m o 们，而且动态范围宽，达4 个数量级。 ( 4 )利用l p g 构成的干涉型器件 由于l p g 的特殊耦合机制，当在同一根光纤上级联两个相同的3d bi j p g 时，就 构成了光纤内的m z 干涉仪1 1 1 0 j 。t i s o p 等人f 1 1 1 懈这种基于l p g 的m z 干涉仪应 用于折射率的测量，并提出了这种干涉仪的相位解调方案，其可探测的最小折射率变 化达到了1 8 1 矿，这也是到目前为止报道的所有光纤型折射率传感器中的最高分辨 率。 1 3 一 浙江大学博士学位论文 ( 2 )l p g 与特殊材料结合实现微量化学探测 纳米多孔晶格d 排列的间规聚苯乙烯( s ”d i o t a c t i cp o l y s t y r c n e ，s p s ) 对小分了量物 质( 如氯化芬芳化合物) 具有很高的吸附性能和较好的选择性，而且晶格区域吸附这 些小分子物质后引起材料密度变大，从而导致折射率的增加1 1 1 ”。根据这个特点，p p i i l a 等人i n 9 i 提出了一种基于l p g 的化学传感器，他们用浸涂法将s p s 涂到l j p g 上，s p s 层厚度小于2 5 0n m ，并对水中很低浓度的氯仿溶液做了实验，在1 0p p m 的浓度范 围内，灵敏度为0 1 3n m p p m ，说明这种l p g 化学传感器能探测出水中几个p p m 的氯 仿，如果进一步优化光栅参数和涂覆厚度，则可实现亚p p m 氯仿的探测。 ( 3 ) 气体传感 l p g 气体传感的原理如图1 6 所示，在写有廿g 的光纤部分涂覆上一层对某种气 体敏感的膜层，膜层对气体的吸收引起膜层材料的折射率变化1 1 驯【1 2 ”，从而引起i j g 共振波长的移动，因此气体浓度信息可以从波长移动量中得到。 图l 一6 聚合物涂覆的l p g 气体传感器的横截面 甲苯蒸汽： 1 p e s i l 】( o 等人1 1 2 2 l 选择聚合二甲基硅氧烷( p o l y d i m e t h y l s i l o x a l l e ， p d m s ) 作为涂覆层材料，1 0 0 p p m 浓度的甲苯蒸汽引起0 8 n m 的波长移动，如采光浩 分辨率为0 1n m ，那么l p g 至少能探测到1 5p p m 。 l 印烷：根据聚氧乙烯聚合物( p o l y o x y e t h y l e n ep o l y m e r ，p o e ) 对甲烷( c h 4 ) 敏 感的特点，z w j n g 等人1 1 2 3 】提出了一种基于l p g 的甲烷传感器，将p o e 材料涂覆到 l p g 上，当吸收甲烷后，聚合物膜层膨胀，引起膜层折射率降低，从而导致l p g 共振 波长移动。根据波长移动量与外界折射率的关系以及聚合物膜层折射率随气体浓度的 变化关系就可以推算出气体浓度。 芥术气( m u s t a r d ) ：芥末，二氯乙烯硫化物是一种有效的化学战争试剂，l p g 芥 末气体传感器f 1 洲，是通过在l p g 上镀上金纳米微粒，聚乙烯胺( p o l y e t h y l e n a m i n e ) 薄 膜而得到。当芥末气通过l p g 传感器时，与金纳米微粒反应，引起l p g 表面折射率改 一1 s 第一章绪论 变，导致l p g 共振波长的移动。 氢气：y t p c n g 等人【1 2 5 l 用f b g 来实现氢气传感，在f b g 上电镀一层钯膜，当遇 到氢气时钯膜膨胀，使f b g 中受到一定应力，导致布拉格波长的移动。根据波长移动 量就可推算出氢气浓度。因氢气在钯膜中扩散与温度有关，在9 5 到1 5 0 的范围内 可大大提高其灵敏度1 1 2 5 j 。 “1碳氢化合物检测 r f a l a t e 等人1 1 2 6 l 报道了用i j p g 可探测燃料和大气环境中的碳氢化合物。在燃料实 验中，用松节油、石脑油、稀释剂和无水酒精4 种溶剂分别添加到商业汽油中混合制 成4 组不同浓度的溶液，4 组溶液对应的l p g 波长移动量分别为1 0 3 舯，2 6 岫，一5 0 6 n m ，6 1n m ，根据l p g 对不同碳氢化合物溶剂的灵敏度不同，可以确定当两种不同溶 剂混合时的不同碳氢化合物浓度。在这四种溶剂中，酒精是减小商业汽油折射率最为 有效的溶剂，而稀释剂是增加商业汽油折射率最有效的溶剂，尽管可以通过不同溶剂 适当的混合可以使折射率与合格汽油的折射率相等，但是只要在样品中额外添加酒精， 测其波长移动量就可以确定样品是否为合格汽油。因此可用于石油碳氢化合物探测1 1 2 6 j 以及汽油混合质量检测1 1 2 7 】。 m gs h l y a 画n 等人1 1 2 8 l f l 2 9 1 用f b g 实现碳氢化合物检测，原理如图1 7 所示，利用 特定的聚合物( 如丁基橡胶) 封装f b g ，这种聚合物遇到碳氢化合物时会膨胀( 没有 了碳氢化合物又可恢复) ，光纤产生应变，f b g 的b m g g 波长发生漂移。可用于监控石油 管道或储藏罐的石油泄漏情况。 e p o x ya d h e s i v e “b e r f b g s w e i l i n gp o l y m e r 图l 7f b g 传感器用于碳氢化合物检测 ( 5 ) 湿度传感 s l u o 等人【1 2 4 】提出一种基于l p g 的相对湿度传感器，所用的湿度敏感材料为羧甲 基纤维素( c a r b o x y m e t h y l c c l l u l o s e ，c m c ) 。它之所以能够对环境中湿度水平有响应， 是因为c m c 水凝胶涂覆层与水分子相互作用而引起折射率的变化，导致l p g 共振波 长位置移动。i j g 湿度传感机制与相对湿度的变化、水凝胶聚合物的膨胀收缩、以及 1 6 第一章绪论 1 4 1 本文研究的主要内容 论文内容安排如下： 第一章介绍了光纤光栅折射率传感技术的研究目的和意义：介绍了光纤光栅的 不同分类及其在传感领域的应用；然后概括叙述了光纤光栅折射率传感技术的国内外 研究现状；最后对光纤光栅折射率传感技术在生化传感方面的应用研究进行了总结。 第二章介绍了光纤光栅理论和制作技术。首先介绍了光纤光栅的耦合模理论和 传输矩阵分析方法，分别对f b g 和i j p g 进行了模拟计算，分析了它们的光谱特性； 介绍了光纤的光敏性机理，然后总结了光纤材料的增敏技术，其中重点介绍了我们的 载氢系统；最盾总结了光纤光栅的各种制作技术，并介绍了我们的光纤光栅制作系统。 第三章研究了阳g 折射率传感技术。首先介绍了f b g 折射率测量的原理，从 光纤三层模型出发，分析