水凝胶波导探针的制备及对罗丹明B的超高灵敏检测

波导型倏逝波传感器依赖于待测物与倏逝场的相互作用,其检测能力受制于倏逝波的强弱。一般而言,波导的倏逝波强度在内部传输光中占比很低,因此传感器灵敏度受到很大限制。提出的一种基于水凝胶聚合物的波导探针可以克服上述缺点。水凝胶具有的三维网状结构,可以方便待测物渗入波导内部,因此可以利用局域在波导内部的传输光进行探测,大幅提高探测光的利用效率。此外,实验通过其他聚合物单体的添加成功抑制了水凝胶波导遇水溶胀变形带来的额外光损。由于纯水凝胶制备的波导在吸水溶胀后会导致变形,从而带来额外的光损耗,因此除水凝胶之外还需掺入其他聚合物以维持波导的基本形状。实验表明,该水凝胶聚合物波导传感器对罗丹明B水溶液的吸收检测极限为1.0×10^?9 g/mL,荧光检测极限为1.0×10^?19 g/mL。相比于其他波导型倏逝波传感器,荧光检测极限提高了约7个数量级。该水凝胶聚合物波导传感器制备方法简单,成本低廉,可适应性高,灵敏度高,在医疗及环境监测等多个领域都有着广泛的应用前景。     

基于无芯光纤与光栅级联的反射式大量 程高分辨力海水温度传感器

针对海洋环境探测中海水温度的大量程高分辨力测量需求,本文提出并验证了一种基于无芯光纤(NCF)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的反射式传感器。传感器的制作过程包括将刻有FBG的单模光纤与带有涂覆层的NCF熔接,之后在NCF的端面上镀金膜形成反射镜,最后将光纤结构封装于毛细管中。其中,无涂覆层的NCF是多模波导,而有涂覆层的NCF可以看作反谐振反射波导,理论分析可知多模干涉和反谐振效应叠加得到输出光谱。由于聚合物涂覆层的热光系数较高,干涉波长的位置随着温度变化发生明显偏移。根据FBG中心波长和干涉波长所在位置,通过对应的拟合曲线可以计算出准确的温度值。实验结果表明,在-6℃～54℃温度范围内,最小可探测温度分辨力为0.000 1℃。该反射式光纤传感器具有加工方便、结构紧凑、灵敏度高等优点,在大范围高分辨力海水温度测量中具有很大的应用潜力。     

高折射率镀膜聚合物波导传感器的制备

为了提高利用倏逝波传感的光纤传感器的灵敏度问题,仿真并验证了一种基于高折射率镀膜的光纤传感器.首先两根光纤之间利用激光诱导波导自行成技术形成聚合物波导,并在波导表面镀上一层高折射率Ta2O5薄膜以增强波导表面倏逝波强度,从而增加传感器灵敏度.根据聚合物波导制备结果,使用COMSOL Multiphysics?软件对Ta...     

阶跃折射率多模光纤包层等离子体共振传感器

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器通常以纤芯为共振基底,需要采用腐蚀、侧抛、研磨等复杂的加工工艺将光纤包层去除,存在倏逝波不易泄露,传感探针制作困难的问题。本文提出一种以光纤包层为SPR共振基底的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器。采用单模光纤与阶跃折射率多模光纤偏芯熔接结构,将单模光纤纤芯中的光直接注入多模光纤包层,并在阶跃折射率多模光纤包层外镀50nm金膜。在探针传感段,光场能量全部分布在阶跃折射率多模光纤包层中,发生SPR效应充分。与传统光纤包层SPR传感结构相比,该传感器能够获得更深的共振谷,折射率测量范围为1.333～1.385RIU时,传感器的平均灵敏度可达2 307nm/RIU,本文亦对传感段多模光纤纤芯直径与长度不同参数的影响进行了探究。本文提出的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器制作简单,有效解决了光纤包层与空气界面不易获得倏逝波的问题。     

基于空芯光纤的复合双腔光纤法珀盐度传感器

为实现高灵敏度的盐度测量,提出了一种基于空芯光纤的单模光纤–空芯光纤–单模光纤(SMF-HCF-SMF)复合双腔光纤法珀(F-P)盐度传感器.该传感器通过精密切割结合光纤熔接技术制备,结构小巧,工艺简单.通过HCF段空气腔与SMF段介质腔所对应的反射光谱干涉信号的振幅之比对盐度进行测量,可以有效剔除光源功率起伏以及其他...     

基于空间光耦合系统的芯片温度传感器

研究了一种硅光子芯片空间光耦合系统,简化了集成光子芯片用光纤阵列耦合的方式,通过将1 550 nm附近波段的光通过空间光学系统,经光栅耦合器垂直耦合进入集成光子芯片,经过波导与微环谐振腔实现光学传感,采用多模光纤收集出射能量,并进行温度传感测试。实验结果表明,用波长探测方式,得到自由光谱范围（FSR）为0.85 nm,Q值为16 321的环形谐振腔直通端透射谱线。在温度传感测试中,其灵敏度达到127 pm/℃。通过进一步对比测试表明,空间光耦合与光纤阵列光耦合只在插入损耗方面有所差距,耦合系统可得到较好的温度传感测试结果。空间光耦合具有更换传感器芯片便捷,容易实现多通道测试等优点。     

溶胶-凝胶固定纳米光纤探针上生物活性分子的研究

为提高纳米光纤生物传感器的性能,研究了以溶胶-凝胶法将生物活性分子固定于纳米光纤探针上。首先以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,制备了以葡萄糖氧化酶(GOD)为生物活性分子的溶胶,然后利用提拉法将GOD凝胶固定于纳米光纤探针上;讨论了固定化GOD活性及凝胶膜在纳米光纤探针上成膜的条件;最后通过扫描电子显微镜检测到薄膜均匀连续,生物探针尺寸小于1μm,并利用电子探针验证了GOD被固定于纳米光纤探针上。     

基于碳点的小型自校正比率荧光光纤铬(VI)传感器

荧光比率传感探针检测方法能够克服环境(如样品基质、猝灭剂等)和仪器等外部因素影响, 得到更加可靠的检测结 果。 本文合成用于组成比率型荧光纳米探针的两种荧光碳点(CDs), 在 365 nm 紫外光的激发下, 这两种碳点分别在 440 nm 和 570 nm 处具有荧光发射峰, 且对 Cr(VI)具有相反的响应。 通过水凝胶将比率荧光探针包覆在设计的光纤尖端上, 能够实 现 Cr(VI)浓度的在线检测。 利用飞秒激光微加工系统制作的齿形光纤结构, 有利于荧光探针的激发和传感器荧光的收集。 为进一步降低传感器成本、缩减传感器体积, 采用低成本的 LED 灯珠作为激发光源。 采用比率荧光探针包覆, 克服 LED 灯珠 光源稳定性差的缺点, 使传感器可以实现自校正。 实验表明,即使光源强度波动较大, 该传感器连续 7 次测量的相对标准偏差 (RSD)仅为 3. 1% 。 在 0~ 200 μM 范围内, 该传感器对 Cr(VI)具有良好的线性关系, 检出限(LOD)为 0. 9 μM。 该传感器能够 应用于实际样品中 Cr(VI)的检测, 说明该传感器的具有实用性和可靠性。     

基于AOTF技术的光纤损耗光谱检测系统设计

提出了一种新型的基于声光可调滤光器(AOTF)的便携式光纤损耗光谱检测系统。建立了光纤损耗光谱检测的数学模型和检测系统总体结构。该系统利用声光可调滤光器的电可调谐特性,采用DSP进行智能化控制,实现对光纤中信号光的快速光谱扫描,测量出被测光纤对不同波长的信号光的衰减特性。最后给出了实验结果和讨论。     

涂覆高折射率树脂薄膜的聚合物波导传感器的制备

倏逝波的强弱决定了波导型倏逝波传感器的探测极限。在波导表面涂覆一层高折射率树脂薄膜,提高光波导外倏逝波的占比。高折射率薄膜的涂覆可以大幅度改变波导中的光场分布,并提高倏逝波强度。通过研究不同折射率下倏逝波占比与镀膜厚度间的相互关系,得到了不同折射率下的覆膜最佳厚度。通过激光诱导波导自成型技术在聚合物波导上涂覆了一层折射率为1.6,厚度为300 nm的树脂薄膜。光谱测量结果表明,经过薄膜涂覆后,传感器对罗丹明B水溶液的吸收检测极限提高至1×10^-9 g/mL,比未覆膜传感器高了10倍。该传感器成本低、体积小、制作简单、灵敏度高,在各个领域都拥有广阔的应用前景。     

光纤传感技术测量气液两相流持气率研究

文中提出了一种新型气液两相流体参数测试方法。传感机理为弯曲光纤的传输光功率随外界介质折射率而变化。在分析光纤弯曲波导传输光能损耗与弯曲半径、外界折射率等因素关系的基础上,提出一种 Ｕ 型结构的光纤传感器系统,并将其应用于气液两相流体持气率测试中,进行了初步研究和探讨。     

Graphene-based optical fiber ammonia gas sensor

To precisely monitor and forecast harmful gases in the air, a high-performance fiber gas sensor based on graphene nanometer-functional materials is proposed and experimentally demonstrated. The sensing area of the proposed sensor was a graphene-wrapped fiber which was cascaded between a down-taper and an up-taper. The graphene wrapping on the subuliform fiber sensing area substantially increased the evanescent field which transmits along the surface of fiber and will have a significant sensitization effect on the gas sensing. At the same time, the gas molecules adsorbed by graphene lead to changes of the effective refractive index of the composite waveguide, which causes corresponding wavelength drift and attenuation. By detecting the change of the output optical signal, the concentration of gas molecules was detected. Based on this principle, the sensor realized a gas sensitivity of 0.015?nm/ppm. The research shows that the sensing structure has the advantages of small volume, good mechanical strength, excellent spectral quality, and high sensitivity.     

压力作用于LiNbO3脊形波导的模场分析

为了实现基于光弹效应的光波导压力和加速度传感器,需要了解光弹波导中的模场变化。根据晶体的光弹效应理论,分析了在压力作用下M-Z结构LiNbO_3脊形波导中折射率的改变,采用三维FD-BPM法对光弹波导中的导模场进行仿真,并运用光波导的电磁理论对仿真结果进行分析。由仿真及分析结果得出:在压力的作用下,波导的折射率增加,波导中导模光场增大,并且波导对光波能量的约束作用增强。     

压力作用于LiNbO脊形波导的模场分析

为了实现基于光弹效应的光波导压力和加速度传感器,需要了解光弹波导中的模场变化。根据晶体的光弹效应理论,分析了在压力作用下M—Z结构LiNbO3脊形波导中折射率的改变,采用三维FD-BPM法对光弹波导中的导模场进行仿真,并运用光波导的电磁理论对仿真结果进行分析。由仿真及分析结果得出：在压力的作用下,波导的折射率增加,波导中导模光场增大,并且波导对光波能量的约束作用增强。     

双Fabry-Perot干涉腔型光纤声发射传感器

设计了一种新型的双Fabry-Perot腔光纤传感器用于材料损伤引起的声发射信号检测。基于低细度Fabry-Perot腔多光束干涉原理,建立了光纤Fabry-Perot传感器检测声发射信号的数学模型。分析双Fabry-Perot腔正交点稳定工作机制,设计并制作了具有双Fabry-Perot腔结构的光纤声发射传感器来保持传感器正交点的稳定性。通过模拟AE信号检测与热应力干扰实验对设计的传感器进行了实验验证。实验一通过冲击振动与折断铅笔芯产生两类模拟声发射信号,使用商用的压电传感器和光纤传感器进行对比实验,结果表明光纤传感器能够成功检测到两类模拟声发射信号,灵敏度为12.9nm,带宽达到30kHz。实验二对传感器进行工作点稳定测试,结果表明双F-P腔的控制机制能够保证传感器工作在正交点,解决了传感器输出信号衰减的问题。     

荧光原理的纸基张力传感器

针对穿戴应用中传统传感器的穿戴体验差、成本高、构造复杂等问题,本文将具有形变响应特性的荧光材料与纸张结合,构建出荧光压谱原理的新型光学无线张力传感器。传感器的敏感材料是由罗丹明B(RhB)与PDMS混合成的复合荧光材料薄膜,通过丝网印刷方式涂敷到美工纸带上。RhB的荧光特征随着施加在纸带上的张力而改变,在自制的力加载实验台上标定了该传感器的响应函数,在6 N量程里其张力分辨率可达0.04 N。借助手环和指套将该纸基张力传感器穿戴贴合于手部拇指关节,实验证实可测量手指的屈伸姿态。这是首款基于非波导特性的光学力敏可穿戴器件,具有柔性、亲肤、易回收、极低成本、几乎没有环境污染等显著优点,可作为即用即抛的消费级传感产品用于人体健康评估、关节康复锻炼效果评价和机器人姿态控制。     

Waveguide Sensors for Measuring Concentrations of Components in Gas Mixtures and Liquids

Optical diagrams of waveguide sensors for measuring concentrations of components in gas mixtures and liquids are considered. The characteristics of the absorption cells of several waveguide systems are calculated as functions of parameters of optical waveguide. An ammonia waveguide sensor based on a Ta₂O₅ film deposited on a glass substrate is considered. The sensitivity of the sensor is 6 × 10^–6. Methods for increasing the sensitivity of the sensor are suggested.     

High efficiency slotted photonic crystal waveguides for the determination of gases using mid-infrared spectroscopy

We present the design and analysis of a high efficiency slotted photonic crystal waveguide for gas sensing applications in the mid-infrared wavelength range. We designed the slotted photonic crystal waveguide structure by engineering the interfaces between the input and output slot waveguides and a resonant coupler. Coupling and transmission spectra of the sensor have been modeled using the three-dimensional finite-difference time domain method. The sensing principle is based on the shift of the upper band edge of the sensor output transmission spectrum which arises due to changes in the ambient refractive index. Transmission spectrum and sensitivity of the proposed sensor are analyzed by tuning the radii of the air holes localized on each side of the slot. The results show that a change of the refractive index of the gas by 10^?4 leads to a shift of the upper band edge wavelength by 540?pm which corresponding to a sensitivity of 1720?nm per refractive index unit. The proposed design may be an ideal platform for developing mid-infrared gas sensing devices characterized by high coupling efficiencies and high sensitivities.