Page 26 - 网络电信2023年12月刊
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级联式光纤FPI-SPR液体热光系数传感器


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            金澳博 ,常建华    1,2* ,胡子怡 ,徐遥 ,陈鸣
            1.南京信息工程大学电子与信息工程学院
            2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同中心创新中心
                  摘要: 本文提出一种结合光纤法布里-珀罗干涉(FPI)和表面等离子体共振(SPR)效应的 高精度液体热光
               系数传感器。该传感器利用端面固化了聚二甲基硅氧烷(PDMS)的单模光  纤(SMF)和无芯光纤(NCF)在毛细
               硅管中构造PDMS-Air-PDMS非本征FPI结构,并在  NCF侧面镀银纳米膜构造SPR传感单元,实现温度和折射率的高
               灵敏度测量。通过FPI对  SPR传感单元进行温度补偿,消除了交叉干扰。实验结果表明,传感器在1.333~1.371
               折射 率范围内的灵敏度达到2913.68 nm/RIU,在20~80 ℃温度范围内灵敏度达到597pm/℃,对无水乙醇进行热
               光系数测量误差仅为0.82  %。该传感器具有高精确度、制作简单、集成度  高、无串扰和无交叉敏感等优点,在
               生物医学和生物化学领域有着广泛的应用前景。
                  关键词:光纤传感;法布里-珀罗干涉仪;表面等离子体共振;折射率;温度;热光系数





























                引  言                                             测量。虽然基于多模干涉效应的传感器制作简单、测量方便,
                材料折射率随温度变化的性质被量化为热光系数(TOC),                      但是温度和折射率响应存在交叉敏感、串扰问题,导致解调复
            这种热变化对于材料的表征以及化学和生化分析至关重要                     [1-3] 。  杂且精确度低,难以实现高精确度液体热光系数的测量。基于
            热光系数测量的关键在于对温度和折射率变化的同时测量。传                          此,2020年,Yu等人     [18] 提出无芯光纤侧面镀金纳米膜激发SPR
            统的热光系数测量系统分开检测样品温度和折射率(RI)的变                         形成SPR-MMI混合型温度和折射率传感器,两传感通道分别工作
            化,无法保证测量数据的空间和时间一致性,且由于材料的热                          在500-900nm和1400-1500nm波段,消除了通道间串扰,实验获
            传导不均匀和热对流等问题会导致热光系数的测量误差大、精                          得的温度和折射率灵敏度分别为37.9pm/℃和2061.6nm/RIU。此
            度低。光纤传感器具有多参数测量、耐腐蚀、体积小、灵敏度                          外,2021年,Zhang等人     [19] 提出基于FPI和SPR效应的液体热光
            高、抗电磁干扰能力强等优势,因此得到了广泛的关注和研究                          系数传感器,该传感器通过在空芯光纤侧面打孔注入PDMS并镀
            [4-6] 。随着光纤传感应用的不断扩展,人们开发了多种温度和                      一层金纳米膜分别激发FP干涉和SPR实现温度和折射率的分离波
            折射率敏感的光纤传感器用于测量液体热光系数,其传感机理                          段测量,实验获得的温度和折射率灵敏度分别为394.3pm/℃和
                                   [7]
            包括光纤表面等离子体共振 、法布里-珀罗干涉                  [8-10] 、马赫-  2565.6nm/RIU。这类传感器利用分离波段传感虽然可有效消除
            增德尔干涉(MZI)      [11-12] 、多模干涉(MMI)  [13] 、  迈克尔逊干    通道间串扰,但仍存在两个传感单元都对温度和折射率参量敏
            涉(MI)   [14] 、光纤布拉格光栅(FBG)     [15] 等。2018年,Susana   感导致的多参量交叉敏感,影响测量准确性。
            等人  [16] 提出一种蚀刻无芯光纤尖端产生多模干涉,通过解调干                        本文提出了一种级联式FPI-SPR全光纤液体热光系数传感
            涉谷的漂移量与温度和折射率间的关系进行乙醇和水热光系数                          器,利用单模光纤、PDMS、无芯光纤和多模光纤(MMF)构成
            的测量。2021年,Ruiz-Perez等人      [17] 提出在无芯光纤侧面涂覆         SMF-PDMS-Air-PDMS-NCF-MMF结构。其中,非本征FPI由PDMS-
            部分PDMS形成温度自补偿的多模干涉实现折射率和热光系数的                        Air-PDMS构建,并利用温敏材料PDMS作为FPI两侧的高反镜,显


                                                       网络电信 二零二三年十二月                                           47
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