三光束干涉光纤传感器制备及其折射率传感研究.pdfVIP

摘要

光纤传感技术是实现对信息全面感知的关键技术。它以光为信息载体，以光纤

为物质媒介，感知与传输物理量的变化，实现对信号的实时监测和分析，具有传输

速度快、测量精度高、抗干扰性好等优势，在环境监测、能源勘探、航天军工等领

域具有广泛的应用。而在工业生产、环境监测等领域，监测折射率、温度等参量的

变化情况十分重要。因此，如何快速准确地测得这些参量是一个非常重要的课题。

当前最成熟的折射率测量仪器是阿贝折射仪，但阿贝折射仪存在操作复杂、抗环境

干扰能力较差、不可实时监测、测量精度低等问题，在实际应用中有较大的局限性。

为了实现小型化、微量采样、灵敏度较高、操作简单、可远程在线实时监测的折射

率传感，本文设计了两种光纤Fabry-Perot折射率传感器，通过调节液体的折射率

和浓度，引起光波特性的显著变化，实现高性能传感。具体工作内容如下：

(1)本文针对折射率传感器小型化、灵敏度较高、操作简单的需求，建立了基

于三光束干涉原理的光纤Fabry-Perot探针折射率传感器的理论模型，推导得到最

大条纹对比度随外界折射率变化的理论公式。仿真分析最大条纹对比度随外界折

射率的变化情况，发现随外界折射率增加，最大条纹对比度先线性减小后线性增大。

实验研究了最大条纹对比度和外界折射率的关系，发现折射率在1.3333~1.4080的

范围内，最大条纹对比度和折射率之间呈线性减小的关系，灵敏度约为-48.8dB/RIU；

折射率在1.4520~1.6200的范围内，最大条纹对比度和折射率之间呈线性增加的关

系，灵敏度约为31.43dB/RIU。

(2)本文针对折射率传感器微量采样、可实时监测的需求，设计了一种新的传

感器结构，将微流通道与光通路结合，建立了基于三光束干涉原理的光纤微流

Fabry-Perot折射率传感器的理论模型，推导得到归一化反射谱的理论公式。仿真分

析了波长漂移量随折射率的变化情况，发现随着折射率的增加，波长漂移量呈线性

增加。实验研究了波长漂移量和氯化钠溶液、蛋白质溶液的折射率与浓度的关系，

发现氯化钠溶液的折射率在1.3415~1.3500、浓度在50~100mg/ml的范围内时，波

长漂移量和折射率、浓度之间呈线性增加关系，折射率的灵敏度约为235.8nm/RIU，

浓度的灵敏度约为39.1pm/(mg/ml)；蛋白质溶液的折射率在1.3340~1.3440、浓度

在0.54~6.0mg/ml的范围内时，波长漂移量和折射率、浓度之间呈线性增加关系，

折射率的灵敏度约为212.6nm/RIU，浓度的灵敏度约为383.3pm/(mg/ml)。

关键词：光纤Fabry-Perot传感器，折射率，最大条纹对比度，浓度，波长漂移

ABSTRACT

Fiberopticsensingtechnologyisakeytechnologyforcomprehensiveinformation

perception.Ituseslightastheinformationcarrierandopticalfiberasthemediumtosense

andtransmitchangesinphysicalquantities,achievingreal-timemonitoringandanalysis

ofsignals.Itboastsadvantagessuchashightransmissionspeed,highmeasurement

accuracy,andstronganti-interferencecapability,andhaswideapplicationsinfieldssuch

asenvironmentalmonitoring,energyexploration,aerospace,andmilitaryindustry.In

industrialproductionandenvironmentalmonitoring,itiscrucialtomonitorchangesin

parameterssuchasrefractiveindexa