基于损失模式共振的光纤传感特性及其湿度测量技术研究

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损失模式共振(Lossy Mode Resonance,LMR)是近年来提出的一种较新的物理光学现象,由于其独特的优点,例如高灵敏度和免标记测量,吸引了研究者的广泛关注,基于光纤结构的LMR传感器也被用于多种参量的测量传感中,但是目前国内尚未出现针对光纤LMR传感器较全面的研究。本文以分析光纤LMR传感器的传感特性、完善传感器的制作工艺,提高传感器性能为研究目标,提出以二氧化钛(TiO2)或二氧化锡(SnO2)薄膜沉积的光纤LMR传感器,使用纳米粒子作为增敏材料,并对不同薄膜结构的光纤LMR传感器的传感特性进行了理论分析与实验研究。结合聚乙烯醇湿敏材料,对传感器应用到湿度测量中的技术、方法及实验进行了进一步的探究,扩大了光纤LMR传感器的应用范围。本文主要完成了以下研究内容:(1)阐述分析了损失模式共振的基本原理,LMR激发薄膜的特性,以及光纤LMR传感器、光纤LMR湿度传感器的传感原理,并介绍几种衡量传感器性能的评价指标,为后续传感器设计制作、传感性能优化与分析奠定基础。(2)利用Matlab和COMSOL Multiphysics建立光纤LMR传感模型,从理论上分析不同薄膜结构对LMR传感性能的影响。基于制作完好的TiO2薄膜沉积的光纤LMR传感器,实现了对外界溶液折射率变化的测量,分析了折射率与共振波长的关系,进而研究光纤LMR传感的基本特性,并使用金纳米粒子优化传感器性能。实验结果表明,在薄膜中嵌入金纳米粒子的传感器的折射率灵敏度最高达到6405 nm/RIU,相较于不嵌入粒子的传感器,灵敏度最高提高了 177%。(3)为了分析LMR薄膜性质对传感性能的影响,提出SnO2薄膜沉积的光纤LMR传感器,并使用改进后的层层自组方法(Layer-by-layer assembled,LBL)制作SnO2传感器,同样利用纳米粒子实现传感器的增敏,仿真和实验结果表明,SnO2传感器除了具有基本的LMR传感性能,在特定的测量范围内还具有更高的灵敏度和更宽泛的共振谷;此外,实验中涂覆SnO2纳米粒子的传感器的灵敏度最高达到4704nm/RIU,相较于不嵌入粒子的传感器,灵敏度最高提高了 55.9%。(4)结合聚乙烯醇湿敏材料,实现了光纤LMR传感器在湿度测量中的应用。基于本文提出的TiO2沉积的光纤LMR传感器,设计并制作了聚乙烯醇优化的光纤LMR湿度传感器,设计搭建湿度测量系统,对其湿度响应性能进行测试分析。实验结果表明了该方法对湿度进行测量的可行性,湿度测量灵敏度最高达2.15nm/%RH(20%RH-60%RH)及3.98nm/%RH(60%RH-90%RH),相对于不涂覆聚乙烯醇的传感器,实现了对低湿度环境下的湿度响应,且在高湿度区间灵敏度提高了 3 8.2%。此外,验证了光纤LMR传感器对温度的不敏感性,克服了传统光纤湿度传感器温度交叉敏感的缺点。
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