Page 26 - 网络电信2023年12月刊

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