基於光學薄膜F-P內腔的光纖感測器研究

《基於光學薄膜F-P內腔的光纖感測器研究》是依託武漢理工大學，由楊明紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於光學薄膜F-P內腔的光纖感測器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊明紅
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

目前國內外所研究的外腔式F-P干涉型光纖感測器存在耦合損耗大、工藝複雜和重複性差的缺陷，從而限制了此類感測器的廣泛套用。本項目提出一種基於光學薄膜的內腔式本徵F-P干涉型光纖感測器的設計思路，採用無離子源輔助真空蒸發技術在光纖端面製備由柱狀疏鬆結構膜層組成的一體式F-P腔光學薄膜感測器。除了可以有效解決外腔F-P光纖感測器中存在的耦合損耗問題外，這種內腔式F-P感測器的腔長變化量是光學腔長，同時受折射率和厚度變化的影響，相對於外腔式F-P干涉型光纖感測器僅受物理腔長變化影響，可以提高感測靈敏度和精度。項目將從理論上分析和模擬計算基於內腔式本徵F-P光學薄膜的光學特性，建立膜層折射率和厚度變化與外界條件（如濕度或超音波環境下）敏感關聯的理論模型，實驗分析和探索基於內腔式本徵F-P光學薄膜干涉型光纖感測器的感測機理和特性，為此類光纖感測系統可能的套用開發提供理論依據。

結題摘要

本項目提出研究基於F-P腔光學薄膜的光纖感測技術研究，對於未來開發基於F-P腔結構的光纖感測技術有一定的指導作用。另外，本項目研究過程中還探索了基於敏感薄膜的光纖感測技術，即薄膜不僅限於光學薄膜，而是所有敏感薄膜，另外結構上也不限於F-P 結構，而包含各類結構。 採用多孔矽薄膜和PVDF聚合物薄膜分別研究了其光纖濕度感測特性，其主要原理是在光纖端頭製備三層膜的F-P 結構，其中F-P 結構的腔層採用多孔矽薄膜或者PVDF聚合物薄膜製備，當多孔矽薄膜或者PVDF聚合物薄膜在不同濕度環境下由於吸潮導致多孔矽薄膜或者PVDF聚合物薄膜的有效折射率發生變化，從而使得F-P結構的光學腔長發生變化，最終表現為干涉光譜的漂移。這樣通過建立相對濕度改變和光譜漂移的關聯就可以實現相對濕度的感測。 項目實驗研究了基於多孔矽薄膜和PVDF聚合物薄膜的光纖濕度感測特性。對於基於多孔矽薄膜的濕度感測器，實驗結果表明該感測器在低濃度的時候（相對濕度73%以下），每10個百分點相對濕度的變化有0.8nm的特徵波長飄移；而相對濕度在73%以上時，每10個百分點相對濕度的變化有接近3個nm的漂移。 項目研究了基於敏感薄膜的光纖感測技術，主要研究基於鈀膜和氧化鎢複合敏感膜的光纖氫氣感測器。因鈀膜是一種金屬膜，其理化特性和二氧化矽光纖介質材料存在很大的差異，從而使得膜層的結合力差，採用氧化鎢薄膜作為中間過渡層將有望改善敏感膜層的結合可靠性，實驗證實它能有效地解決鈀膜感測器因相變導致的機械穩定性差的問題，並且採用側邊拋磨的D型光纖光柵能提高感測器的靈敏度。 項目還研究了基於磁流體薄膜的光纖磁場感測的方案。磁流體薄膜結合側面拋磨或腐蝕的光纖光柵感測技術是實現磁場感測和材料的一個新思路，在使感測器件微型化的同時，可以有效提高器件感測的靈敏度。實驗研究表明，隨著背景折射率的增加，側面拋磨光纖光柵的特徵波長向長波漂移，當環境折射率接近包層折射率時，諧振波長急劇增加。並且，剩餘包層越小，側面拋磨光纖光柵對環境折射率的變化越敏感。隨著磁場強度的增加，反射的布拉格波長向短波方向漂移。波長的漂移和磁場強度呈現一個非線性的變化關係，當磁場強度增加到16mT時，波長的而變化量達35pm, 其靈敏度大於2pm/mT。