（生物医学工程专业论文）新型光纤法布里珀罗干涉传感结构.pdf

哈尔滨i ：程人学硕十学f ) = 论文 a b s t r a c t f i b e rf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t r i c ( f f p i ) s e n s o r sh a v eb e e nw i d e l yu s e dd u e t ot h e i re a s eo ff a b r i c a t i o n ，m i n i a t u r es i z e ，l o wc o s t ，h i g hs e n s i t i v i t y ，a n dw i d e r a n g eo fm e a s u r e m e n t h o w e v e r ，d i r e c tm e a s u r e m e n to ft h i nf i l m si sl i m i t e di n t h ef f p it e c h n i q u ed u et ot h ed i f f i c u l t yo fl m m o b i l i z a t i o no ft h i nf i l m so n t ot h e t i po fr e c e p t o rb yt r a d i t i o n a lf a b r y p e r o t ( f p ) c a v i t i e sf a b r i c a t i n gm e t h o d s o ，a n o v e lm e t h o do ff p c a v i t yf a b r i c a t i o ni si n t r o d u c e db a s e do nt h ei n t e r f e r e p r i n c i p l ef o rm o n i t o r i n gt h et h i nf i l mi m m o b i l i z a t i o n i nt h i sw o r k ，l i g h ti n t e r f e r e n c ep r i n c i p l ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ff - p c a v i t ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h ec l a s s i f i c a t i o n ，f e a t u r ea n da p p l i c a t i o no f o p t i c a lf i b e rf ps e n s o r sa r ea l s om e n t i o n e d p a r a m e t e r so f i n t r i n s i cf a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t r i cs t r u c t u r ea r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e db a s e do ni n t e r f e r e n c e p r i n c i p l e ，a n dt h ef - pc a v i t y l e n g t hi so f f e r e d t h ed e t a i l e df a b r i c a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o no fc a v i t yl e n g t ha r e t h ei m p o r t a n t p a r to ft h i sw o r k t h ef a b r i c a t i o nm e t h o da d o p t e di sg e t t i n gi n t e r n a lm i r r o rb y u s i n gw e te t c h i n ga n df u s i o ns p l i c i n go nc l e a v e dp e r f e c to p t i c a l f i b e rt i p t h e h a l f - w a v el o s sp r o b l e mi sa v o i d e de f f e c t i v e l yu s i n gt h i ss t r u c t u r e m i x i n g c o n c e n t r a t i o no fe t c h i n gs o l u t i o na n de t c h i n gt i m ea r es e l e c t e da f t e rr e p e a t e d e x p e r i m e n t ，a n dm o r ei d e a li n t e m a lm i r r o ri so b t a i n e db yr e p e a t e da d j u s t m e n t t h e nt h es e n s o rt i pw h i c hf o r m st h eo t h e rr e f l e c t i n gm i r r o ri sc l e a v e du n d e rt h e m i c r o s c o p ed e v i c e c o m p a r e dw i t hi n t e n s i t yd e m o d u l a t i o nm e t h o d ，p h a s ed e m o d u l a t i o nm e t h o d w h i c hi sm o r ec o m p l i c a t e di sa d o p t e di nt h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m p h a s e d e m o d u l a t i o nm e t h o di saw i d e l yu s e dm e t h o dc u r r e n t l yf o rt h a ti ti sw i t hh i g h p r e c i s i o n a n dl i t t l ei n f l u e n c eb yl i g h ti n t e n s i t y i tc a na l s oa c h i e v et h e d e m o d u l a t i o nf o rs e n s i n gm u l t i p l e x i n gs i g n a l s d o u b l ew a v ec r e s ta l g o r i t h mi s u s e dt oc a l c u l a t et h ef pc a v i t yl e n g t hb a s e do nf - pi n t e r f e r ep r i n c i p l e a n dt h e 哈尔滨一i i 稃人学硕十学何论文 a l g o r i t h mi sr e a l i z e db ym a t l a bp r o g r a m a f t e rt h ef a b r i c a t i o no ft h es e n s i n gs _ t 】m c t l 】r ea n dt h ed e m o d u l a t i o no fs i g n a l s b i o - m a t e r i a li 斟ai si m m o b i l i z e do nt h es e n s i n gt i p ，n l em i g r a t e dp h a s ei sc a u s e d b yt h ef - pc a v i t yl e n g t hw h i c hi sa f f e c t e db yt h et h i c k n e s so fb i o - f i l m t h u s t h e i m m o b i l i z a t i o no ft h er n ao n t ot h es e n s i n gt i pc a nb eo b t a i n e db yt h ep h a s e m i g r a t i o n k e yw o r d s ：f p ；f i b e ro p t i c ；w e te t c h i n g ；f u s i o ns p l i c i n g ；p h a s ed e m o d u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，e b 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担气 作者( 签字) ：巧渤 日期： 叫年弓月r 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔 滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关 数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 9 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：磁雪 导师( 签字) ： 拉 日期：川年弓月日翻年专月r 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着人民生活水平的提高，生活质量已远远超出了温饱在国民心中的位 置。在现如今信息多元化的和平年间，本应风调雨顺的百姓生活却充斥这许 多不和谐的音符，从苏丹红到三氯氰胺，从瘦肉精到毒花生酱，从甲醛到苯 污染，一夜间，与百姓生活息息相关的食品卫生与环境污染的问题欲盖弥彰， 同时，对各种生物化学物质的检测也就凸显重要了。 m o l e c u l a rd e v i c e s 公司新推出了一款高灵敏度三氯氰胺检测试剂盒。该 试剂盒以酶联免疫吸附测定( e l i s a ) 为原理能够以较低的价格从食品如牛 奶以及宠物粮中检测出三氯氰胺。 k r y i n s k i 和h e i m s c h 首次将e li s a 用于食品沙门氏菌的检测。随后相继 许多学者都采用了e li s a 进行食品沙门氏菌的检测【l 】。k m 研制出了一种光 学光栅耦合传感器芯片用来检测沙门氏菌1 2 。m a z u m d a r 使用t h e p l a s m o n i c m 表面等离子共振装置检测牛奶中沙门氏斟3 1 。 可见，生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多学 科互相渗透成长起来的新技术。生物传感器用于分析具有选择性高、分析速 度快、操作简易、仪器价格低廉、且可进行在线或活体内直接测定等特点， 引起了世界各国的广泛关注【4 】。生物传感器大致可分为以下几类：酶传感器、 微生物传感器、组织传感器、免疫传感器和d n a 传感器等1 5 。7 j 。 在诊断分析、药品分析、污染监控等领域，对传感器实时性与低成本技 术需求的提高，也促进了各种生物传感器的发展。而且生物测量的简易性和 良好的分析可信性，不仅是临床化学的要求，也是其他许多应用性生物研究 领域的要求 s - l o 】，这就需要一系列的操作简便、价格低廉的便携式分析仪器。 将生物试剂和测量单元用最简单的方法联结成一个单一的装置，这就是生物 传感器的基本概念。 传感技术是现代信息社会的神经中枢，光纤传感器作为传感家族中年轻 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的一员集小巧轻便、响应速度快、抗电磁干扰、抗恶劣环境、复用能力强及 远程传感等优点于一身，迅速成为很多普通传感器不能胜任之领域的佼佼者。 自上个世纪7 0 年代以来，已有电流、电压、温度、位移、声波、速度、压力、 浓度、液位等近百种光纤传感器的研究报道【1 1 1 ，而且已有相当数量的光纤传 感器从实验室走向实用化和商品化，初步形成了具有一定竞争力的国际市场。 将感受器直接固定于光纤表面的方法以其小巧的结构和更加简便的应用成为 近年来研究的热点i l2 。 目前光纤传感器主要有光纤法布里一珀罗( f p ) 传感器、光纤光栅传感 器和布里渊背向散射分布式光纤传感器等类型。其中，光纤光栅传感器的制 作成本较高，而布里渊背向散射分布式光纤传感器由于布里渊背向散射光很 弱，因此探测设备十分复杂和昂贵。光纤f p 传感器是目前国内外研究最多 的光纤传感器之一。法布里一珀罗干涉仪( f p i ) 早在1 9 世纪木就已问世， 但基于光纤的法布里一珀罗干涉仪( f f p i ) 直到2 0 世纪8 0 年代才制作成功， 随后f f p i 逐渐被应用到温度、应变和复合材料的超声波压力传感中。光纤 f p 传感器的特点是采用单根光纤、利用多光束干涉原理来监测被测量，避 开了m i c h e l s e n 和m a c h z e h n d e r 传感器所存在的需两根光纤配对以及必须对 偏振进行补偿等问题。此外，f f p i 传感器对任何导致其两个反射面距离发生 变化的物理量灵敏度极高，而且传感区域很小，在很多应用时可被视为“点” 测量，加之其结构简单、体积小、复用能力强的优势，在嵌入式测量场合更 是倍受青睐，所以长期以来，f f p i 的研究一直都是一个非常活跃的领域。 1 2 光纤生物传感器 1 2 1 光纤生物传感器的原理 生物传感器定义为“使用固定化的生物分子( i m m o b i l i z e db i o m o l e c u l e s ) 结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性 交互作用后产生响应的一种装置 。生物传感器将生物识别元件和信号转换元 件紧紧结合，从而检测目标化合物，图1 1 是生物传感器的结构框图。生物 传感器中生物识别元件有酶、抗体( 抗原) 、微生物、细胞、动植物组织、基 因等；生物传感器的信号转换元件则包括电化学电极、半导体、光学元件( 如 2 哈尔滨下程大学硕十学何论文 光纤、表面等离子共振) 、热敏元件、压电装置( 如石英晶体微天平、表面声 波) 等。不同的生物识别元件和信号转换元件组成了不同的生物传感器，他 们的命名也因此而得来。其基本原理为：待测物质和分子识别元件特异性结 合，发生生物化学反应，产生的生物学信息通过信号转换器转化成可以定量 处理的电、光等信号，再经仪表放大和输出，从而达到分析检测的目的。 知盈岛陋 lp 啦e p t o t 蛔s h 廿 ，o o o - - - - _ - _ 1 _ - - - - _ o _ _ _ - _ - - l 酶、抗体电化学 测 或抗厦、电壤、半 量 微生钩、人 导体、光 人 或 细胞、动 生镑结l电信雩，i 控 学反应 学元件、 光信号 制 植物组 v i 热皱元 y 装 置 绠、基因件、压电 等。 装置等 被溯物耢 图1 1 生物传感器结构框图 各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料 ( 生物膜) 以及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器 ( 传感器) ，二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号 的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统 1 3 - 1 4 j 。 光纤传感器具有很多优点，例如抗电磁辐射、抗电子频率干扰、抗腐蚀 等。光纤传感器还是一种高度小型化的装置，小型化对于介入性监测是十分 必要的，同时检测时所需样品非常少。光纤传感器是目前最小的传感器，而 最小的光纤传感器甚至可以检测单个细胞内的活动情况。光纤传感器的另一 个特点是可以远距离进行传感，加上放大器以及光纤本身的高质量传输、低 衰减率，它传输信号的距离可达1 0 , - - 一1 0 0 0m 。这种特性对危险区的检测是十 分必要的。光纤传感器的优点还有使用荧光取代了放射性物质，响应时间快， 易于操作和成本低廉等。 在研制光纤生物传感器时，通常会有两种工程学上的制作模式，即光极 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 模式( o p t i c a l ) 和渐逝波( e v a n e s c e n tw a v e ) 模式。生物活性分子固定在光纤芯 的项部或其光线能够覆盖的范围，这种构造方法称为光极模式；如果将光纤 的覆层去掉，充分暴露出光纤芯，在暴露的表面大面积进行生物反应，就构 成了光纤传感器的渐逝波模式。两种模式的原理都是光的全反射( t o t a li n t e r n a l r e f l e c t i o n ) 原理。 当纤芯材料的折射率一定大于包层材料折射率时，照射到两种介质界面 的光会被全反射或折射： n ls i n 0 1 = n 2s i n 0 2( 1 1 ) 式中：刀r 一纤芯的折射率 p ，船着纤芯的入射光的入射角 珂r 包层的折射率 秒r 4 反射到纤芯的角度或折射到包层的角度。 全反射现象中，刚好发生全反射，即折射角为9 0 度时的入射角叫做临界 角( c r i t i c a la n g l e ) 。临界角佛可以定义为： 、 晓：s i n - 1i 丝l ( 1 - 2 ) l 惕 当q 位时，光纤在 两介质界面发生全反射。如图1 2 所示。 魄 玩一 、； mf 三备狱 一， 、 图1 2 光线在界面发生折射与全反射示意图 当光纤以各种不同的角度入射到纤芯并射至纤芯与包层的交界面时，光 纤在该处有一部分透射，一部分全反射。光在界面上无数次反射，呈锯齿状 路线在芯内向前传播，最后从另一端射出，如图1 3 所示。即使光纤的包覆 层被去掉，全反射仍然可以发生，因为只要围绕着纤芯的包层介质折射率小 4 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 于纤芯折射率即可。 l e a di nl i g h t 图1 3 光纤的传光方式 1 2 2 光纤生物传感器的类型 f i b e r 光纤生物传感器的类型较多，目前研究较多的有渐逝波型、荧光型和光 吸收型传感器等类型【1 5 l 。 ( 1 ) 渐逝波型传感器 当光照射到光纤表面时，并不能立即产生全反射，而是渗入光疏介质一 定深度，这一现象叫作渐逝波( e v a n e s c e n tw a v e ) 。把处于测量场中的光纤外 - d , 段包层去掉露出纤心，再在这段芯上涂上一层折射率小于纤芯折射率的 物质，敏感包层对被测物进行吸附，使敏感包层折射率发生变化，或光在敏 感包层中的传输损耗增大，光纤的波导结构发生变化，引起输出端光功率减 小，这种减小与被测物浓度有关。基于渐逝波检测的主要特点是不受来自主 体溶液的干扰，从而在分析检测中发挥巨大作用，因为不必将生物反应结合 的生物成分与游离的成分分离，减少了实验步骤，缩短了检测时间。 ( 2 ) 荧光型传感器 通过测定特征荧光光谱对被测物进行定性和定量检测的传感器可以归入 此类。这类传感器灵敏度高，发展很快。荧光的产生包括在激发光作用下物 质本身产生的荧光或者通过标记的荧光物质产生荧光。夹层光纤传感器是一 种荧光型传感器，将末端涂有试剂( 如抗原) 的光纤浸入溶液中来检测溶液 里是否存在与试剂互补的物质( 抗体) 。若溶液中的确存在抗体，就会和抗 原结合。将结合了抗体的光纤浸入含有被荧光标记的抗原溶液里，带有荧光 指示剂的抗原会和抗体结合。在光纤的另一端加上光源，将返回一个荧光信 号。待测试抗体浓度越高，就有更多的荧光标记抗原与其结合，返回的荧光信 号越强。 ( 3 ) 光吸收型传感器 5 哈尔滨t 稃大学硕十学仲论文 光吸收型传感器的工作原理是根据被测物对特定波长产生吸收并对光u 及 收强度进行测量来测定被测物。产生的特定波长的光信号经过耦合到光纤， 通过光纤传递到透镜，通过透镜把光转换成准直光并通过光纤传递到检测装 置，根据检测到的特定波长的光强度可以测定被测物。 ( 4 ) 相位解调传光型传感器 相位解调传光型传感器的工作原理是采用光的干涉技术( 干涉仪) 来检 测被测量( 温度、压力、张力、磁场、附着物质等) 通过影响光纤( 一般采 用单模光纤) 长度、折射率或内部应力等参数而引起的相位变化。 1 2 3 光纤法布里一珀罗( f p ) 干涉传感结构 1 2 3 1 光纤f p 干涉结构的特征 f a b r y p e r o t 干涉结构的主要特征是：光路中有近距离相对的两个平行反 射端面，当入射光进入f p 腔后发生多次反射，透过腔体同一外侧面的多束 光由于满足相干条件便产生干涉。如图1 4 所示，f p 腔是由平行板的两平行 表面组成，入射光以一定角度入射到平板上时，设在接近正入射时入射角矗0 时，入射光强i o = 1 。对于平行板的两表面有低反射率和高反射率两种情况： 低反射率时，只考虑反射光的双光束干涉，就具有足够的近似程度；较高反 射率时，就必须考虑透射光的多光束干涉。 图1 4 光波在平行板内的传播 考虑反射光的多光束干涉，相邻光束问的光程差和相位差分别为 万= 2 n 2 h c o s i 2 ( 1 3 ) 矿：2 万毒：竽心胁s f 2 ( 1 - 4 ) 几 式中兄为入射光波长，抛为平行板的折射率，h 为平行板的厚度。反射光在 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 干涉场的强度分布公式为 = 1 0 羔糕 5 ) 透射光在干涉场的强度分布公式为 = 厶瓦瓦( 1 - 丽r ) 2 ( 1 - 6 ) 由式( 1 - 3 ) 、式( 1 4 ) 可知干涉光强乃是相位差妒的函数，而相位差9 与 f - p 腔的深度h 和f p 腔的折射率坳有关。当f p 腔的深度h 或折射率蚴变 化时，相位差够也随之变化，反射光的光强厶也随之变化。 1 2 3 2 光纤f p 干涉结构的类型 根据光纤f p 腔的结构形式，光纤f 。p 传感器主要可以分为本征型光纤 f p 传感器( i n t r i n s i cf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ，i f p i ) 和非本征型光纤f p 传感器( e x t r i n s i cf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ，e f p i ) 两种。 ( 1 ) 本征型光纤f p 传感器 本征型光纤f p 传感器的研制始于八十年代中期，是研究最早的一种光 纤f p 传感器。它是将光纤截为a 、b 、c 三段，并在a 、c 两段的端面镀上 高反射膜，通常是利用交变脉冲平面磁控系统或阴极射线蒸发方式在光纤端 面镀上一层t i 0 2 膜，然后将它们与b 段光纤焊接在一起而形成，如图1 5 所 示。焊接的时候要比普通焊接采用更小的电流和更短的焊接时间，靠控制焊 接次数的方法来控制所需要得到的端面的反射率，如果想要得到超过1 0 的 反射率，就必须采用交变脉冲平面磁控系统镀上多层t i 0 2 膜。b 段的长度l 就是此光纤f p 传感器的f p 腔长，它除了像其他光纤那样传输光束外，还 要作为传感器的敏感元件感受外界作用。 - - 一 f - pc a v i t yi nf 强e r r e f l e c i i v er a i n , o r s 图1 5 本征型光纤f p 传感器示意图 7 哈尔滨工程大学顾十学位论文 ( 2 ) 非本征型光纤f p 传感器 非本征型光纤f p 传感器是目前应用较为广泛的一种光纤f p 传感器。 e f p i 山两段端面严格平行、同轴的镀膜单膜光纤密封在一个长度为d 、内幸； ： 为d ( 赴2 a 2 a 为光纤外径) 的毛细玻璃管内构成，如图16 所示。由于其 结构特点，使得它具有以下优点： 首先，非本征光纤f p 传感器在制作过程中，可以利用特殊的微调结构 调节f p 腔的腔长，因此制造工艺较为方便、灵活，能够精确控制腔长工； 第二，由于它的导管长度d 大于腔长l ，且d 是传感器的实际敏感长度，这 就使得制造者可以通过改变d 的长度，控制传感器的敏感特性：第t ，f - p 腔是由空气间隙组成的，其折射率 。- 1 ，基本不受外界影响，可以近似认为 是腔长工的单参数函数；第四，当导管材料的热膨胀系数与光纤相可时，则 可以基本抵消材料热胀冷缩大致的腔长工的变化。 我们假设了由单模光纤出射的光束平行光，因而能够在f - p 腔内多次反 射，并完全返回单模光纤。但实际光线由光纤出射时为发散光束，且是往光 纤外部传输，因此只有部分光能返回光纤从而造成反射耦合的损失，实际 的非本征型光纤f - p 传感器的输出强度会随着腔长工的变化而衰减，而奉征 型的光纤f - p 传感器由于光束永远在光纤内传播，则不存在这个问题。 ，l l l ! l _ u 1 1ti 1 , mil、h,jll f m l = 1 图1 6 非本征型光纤f - p 传感器示意图 1 2 4 光纤生物传感检测系统 在实现了关键部分即生物敏感元件的制作后，如何把其他部分与传感头 部有机的整合起来，形成一个完整的测量系统也是一个非常关键的问题，它 将影响最终的检测任务是否能很好的完成。系统结构可分为四人类：以现有 显微系统为基础的检测系统；基于分离光学元件的检测系统：分离元件和光 纤柬结合的检测系统；全光纤生物传感检测系统。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i i 伴随着光纤在通信产业应用的迅猛发展，按照通信行业的标准来设计加 工的光纤器件越来越多，性能也更加稳定。这些现成的、已商品化的光纤器 件和产品( 如带单模尾纤的半导体激光器、带尾纤的a p d ( 雪崩光电二极管) 光电探测器、光纤熔接机、光纤耦合器以及光纤光栅等器件等) 的出现为进 一步发展全光纤结构的光纤生物传感器提供了条件。全光纤生物传感检测系 统结构利用单模光纤的切割与熔接、标准光纤耦合器件等技术，整个系统有 机的连接为一个整体，结构更为紧凑，具有更高的防震性能【1 7 l 。利用全光纤 结构研制的光纤生物传感器将提供一种快速、特异性强、灵敏、便携和经济 的检测手段，符合将来光纤生物传感器商品化、市场化的整体要求。 1 2 5 光纤生物传感器的国内外研究现状及发展方向 d a n e s h v a r 等人报道了一种在近红外区检测抗原抗体结合的一种荧光光 纤免疫传感器，该传感器集成了光纤、半导体激光激发、近红外染料、免疫化 学和荧光检测等技术【1 8 1 。 t e m p e l m a n 等人使用一种便携式光纤传感器来检测可引起食物中毒的葡 萄球菌肠毒素b ( s e b ) ，同时还可以用于检测其它样品如人类血清、尿液和 火腿肉提取液等【1 9 】。 p i u n n o 等人选择了石英光纤作为光学元件，探针固定在光纤表面后置于 杂交液中，与其互补序列进行杂交。完毕后注入溴化乙锭( e b ) 染色，再用 氩离子激光器照射，激发荧光用摄像器材和微机进行分析 2 0 - 2 1 】。 美国弗吉尼亚工学院光电技术实验室a n b ow a n g 等人研制了一系列基于 多种光纤法布里珀罗传感头结构及解调机理的传感器【2 2 之5 1 ，并在石油、电力 等工业领域的温度、压力等测量中取得了重大成就。 加拿大的r o c t e s t 公司研制的白光f p 光纤传感器用于监测桥梁结构中的 应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态1 2 6 ， 并取得较好的测试结果，其研制的基于白光互相光检测技术的f p 型光纤传 感检测仪已用于我国的三峡工程、二滩工程和广西百色工程等新建大坝和旧 坝的安全监测工程。 国内先后有清华大学、天津大学、四川大学、重庆大学、哈尔滨工业大 学、燕山大学等多所高校对光纤生物传感器进行了研究，并取得了阶段性成 9 哈尔滨t 程大导：硕十学何论文 果。 光纤生物传感器是目前最小的传感器，结合了光纤传感技术和生物技术 的光纤生物传感器具备很大的优势。随着光纤传感技术的发展，微型化、集 成化、智能化将是光纤生物传感器今后发展的必然趋势，随着生物芯片应用 技术的日益成熟，以及材料科学、光学技术以及计算机技术等支撑学科的逐 步展开，光纤生物传感器检测系统也必将有所突破，生物传感器必将向着结 构更紧凑、性能更稳定、成本更低廉的方向发展。总之，光纤生物传感器横 跨多个学科，其研究和应用必将带动相关学科共同进步，相信在介入监测和 生物体微环境检测等领域会具有更大的实际意义和发展前景。 1 3 论文主要研究内容与结构 相对于传统的传感器而言，光纤传感器是一门新兴的技术，对光纤探头 的制作方法和工艺也在不断探索与完善之中，对于光纤f p 干涉传感结构， f p 腔的构建及内部反射镜面的制作是十分重要的，因此本课题的主要工作 就是通过对生物膜在传感结构端面固定化情况的检测来对f p 光纤传感结构 制作方法与信号分析等方面进行研究。论文结构如下： 第1 章，描述了课题的研究背景与意义，阐述了光纤生物传感器的原理、 类型、检测系统及国内外研究现状和发展方向，概括描述了光纤f p 干涉结 构的特征与类型，并介绍了论文的研究内容与结构安排。 第2 章，阐述了光纤的传光原理与多光束干涉原理，研究了f p 光纤传 感结构的工作原理、构建方法、解调方法及应用等内容，并分析了f p 腔的 光强损耗问题。 第3 章，仔细研究了f p 腔的工作特点，比较各种构建方法，结合化学 刻蚀及高温熔接的制作方法，设计制作了光纤f p 干涉传感结构，并详细描 述了制作步骤，记录并分析了实验数据，对结构参数的确定方法进行了讨论， 对初始腔长的确定及信号分析方法也进行了深入的研究。 第4 章，通过对实验结果及光谱分析，课题所设计的传感系统可以通过 检测f p 腔长的改变，实现对传感头生物物质固化情况的检测，达到了课题 预期的目的。 l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章f p 光纤传感器 2 1 光纤及其传光原理 2 1 1 光纤 2 。1 ，1 1 光纤的结构 光纤的结构如图2 1 所示。光纤的裸纤一般分为三层：中心的高折射率 物质称为纤芯( c o r e ) ；中间的低折射率物质称为包层( c l a d d i n g ) ，其折射率 略小于纤芯，外径为1 0 0 - 2 0 0 9 i n ；最外面是加强用的涂覆层，其折射率略小 于包层。这样的构造可以保证入射到光纤的光波能够集中在纤芯内传播。 纤芯和包层主要成分为s i 0 2 ，也就是石英。由这种材料组成的光纤耐火 性能高，其熔融温度在1 5 0 0 以上，并且损耗低，价格适中，目前应用最为 广泛。由于包层加入了少量且适量的氧化物( 如b 2 0 3 、p 2 0 5 、g e 2 0 3 等) ，改 变了包层的折射率【2 7 锄】，因此可使光能够发生全反射，几乎无损耗的全部在 光纤内传播。 光纤的石英材料具有以下优点： ( 1 ) 石英即使在非常高的温度下也有很好的稳定性，能用于高温环境； ( 2 ) 石英的热膨胀系数低，杨氏模量大，没有化学活性，耐腐蚀； ( 3 ) 石英具有生物适应性，能够被用于医疗和生物领域。 图2 1 光纤的结构 2 1 1 2 光纤的分类 光是一种电磁波，它在光纤中的传播属于介质圆波导，当光线在介质的 哈尔滨t 程大学硕十学伉论文 界面发生全反射时，电磁波被限制在介质中，这种波形称为导波或导模。对 给定的导波和工作波长，存在多种满足全反射条件的入射情况，称为导波的 不同模式。将光纤按照传输模式分类，有多模光纤和单模光纤之分。 ( 1 ) 多模光纤 多模光纤纤芯直径为5 0 1 , t i n 或6 2 5 岬，可传输多种模式的光。但其模间 色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。 多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。p c v d 工艺 能够很好地控制折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对于渐变型 多模光纤( g i m m ) ，可限制模式色散而得到高的模式带宽。多模光纤一般采 用价格较低的l e d 作为光源，耦合部件尺寸与多模光纤配合好。 ( 2 ) 单模光纤 单模光纤纤芯直径为9 1 t m 或1 0 1 x m ，只能传输一种模式的光。因此，其 模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单 模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。在 1 3 1 p , m 波长处，单模光纤的材料色散和波导色散为一为正、一为负，大小也 正好相等，也就是说在1 3 l l , t m 波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损 耗特性来看，1 3 1 1 t m 处正好是光纤的一个低损耗窗口，这样1 3 l g m 波长区 就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口。 单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定，如 果需要的话，可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤 来补偿色 散。零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤，来补偿在 1 5 5 0 r i m 处具有较高色散的光纤，使得光纤在1 5 5 0 n m 附近的色散很小或为零， 从而可以实现光纤在15 5 0 r i m 处具有更高的传输速率。单模光纤中，另一种 色散现象是偏振模色散( p d m ) ，由于p d m 不稳定，因而无法进行补偿。 2 1 2 光纤的传光原理 当光纤以各种不同的角度入射到纤芯并射至纤芯与包层的交界面时，光 纤在该处有一部分透射，一部分全反射。光在界面上无数次全反射，呈锯齿 状路线在芯内向前传播，最后从另一端射出，这就是光纤的传光原理。 沿纤芯传输的光可分解为沿轴向和沿截面传播的两种平面波成份。因为 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 沿截面方面传输的平面波是在纤芯与包层的界面全反射的，所以每一往复传 输的相位变化是2 石的整数倍时，就可以在截面外形成驻波。像这样的驻波光 线组又称为“模 ，“模 只能离散地存在。如果用归一化频率) ，表达这些传 输模的总数，其值一般在y 2 1 2 ) ，2 4 之间，归一化频率) ，= 2 7 r a n a 2 ，2 为传输 光的波长。 2 1 3 光纤传感器 光纤传感器的基本原理 2 9 1 是利用光纤传输光波的特征参量( 如振幅、相 位、偏振态、波长及模式等) 对外界环境因素( 如温度、应力应变、振动位 移、挠度等) 非常敏感的特征，通过测量光纤中传输光波的特征参量的变化， 实现对各种环境物理量的测量。 光纤传感器测量系统主要由四部分组成：光源、光信号传输、传感元件、 光电转换及信号处理。一般光信号传输和传感为一体，均由光纤制成，而光 源和光电转换及信号处理组成了光信号发射和接收探测系统。光波作为截波 经入射光纤传输到传感元件，光波的某些特征参量在传感器内被外界物理参 量所调制，含有被调制量信息的光波经出射光纤出射到光电转换部分，经解 调后就能得到被测物理量的大小和状态。 依照传感头的结构及调制原理的不同，光纤传感器分光纤光栅型、微弯 型、干涉型。分布式b r a g g 光栅光纤传感器，能实现传感系统的多路复用， 这种传感器对应变的灵敏度高，且线性度很好；微弯曲光纤传感器，其技术 简单，易于推广应用；在各种光纤传感器中，干涉型光纤传感器精度最高， f a b r y p e r o t 传感器是典型的干涉型光纤传感器，f p 传感结构简单灵巧、体 积小、安装方便、成本较低、受环境影响小，因此在微机电系统 3 0 1 、超声探 测3 1 0 2 1 、生物医学口3 1 、磁场测量【3 4 】等领域具有广阔的应用前景，近年来成为 科研热点。 2 2 光纤干涉型传感器 当两束或多束光波在空间叠加时，叠加区域内出现的稳定的强度重新分 布现象，叫光的干涉现象【3 5 】。光波是电磁波，可用麦克斯韦方程组来描述。 由于仅仅电场强度矢量引起人眼视觉效应，使照相底片感光，并使各种光 哈尔滨t 程大学坝十学佗论文 电器件反应，因此在研究光学问题时，通常只考虑e 并称之为矢量。由于在 各向同性介质中层的震动方向总是与光波的传播方向垂直，因此光波呈现横 波性。 2 2 。l 光的干涉原理 两束同频、具有稳定相位差和相同偏振方向的光波。e ，与e ，在某处相遇 而产生干涉，若e ，与e ，的表达式为： 巳2 巨c o s ( 刎+ 确)( 2 1 ) 【e 2 = 最c o s ( c o t + 呜) 式中：，、e r 两束光波的振幅 识、识两束光波的初相位 则干涉后光波e 为： e = e l + e 2 = 局c o s ( c o t + 西) + 岛c o s ( c o t + # 2 ) = e c o s ( c o t + ) ( 2 2 ) 式中干涉光振幅e 为： e 2 = 砰+ 霹+ 2 e 易c o s ( 破一殇) ( 2 3 ) 相位为： 归tg叫嚣cos糍ct c o s 协4 ) 也l + 也2仍 时间平均光强度，为： ，= = 1r 研+ 霹+ 2 e r e 2 c 。s ( 砺一唬) p = 砰+ 霹+ 2 巨易c o s ( 办一唬) = 譬+ 鹾+ 2 互易c o s a # ( 2 二5 ) 式中：矽相位差，矽= 办一欢 由式( 2 5 ) 可知，若相干光的幅度e ，、膨不随时间改变，则合成光强 时间平均值仅随相位差矽= 破一办而变化。这罩的相位差由波长、光路介质 折射率和两束光的光程差( 相干点的几何位置) 所决定的。波长、光路介质 折射率和两束光的光程差三个参数中任意参数发生变化都将引起干涉光相位 差的变化【3 6 】。 1 4 哈尔滨jf ：程大学硕十学位论文 2 2 2 光的干涉条件 光的干涉，只有满足一定的条件才能发生，这些条件称为相干条件。光 发生干涉现象的相干条件为： ( 1 ) 两叠加光波的频率相同，这是两波相干的基本条件； ( 2 ) 两叠加光波有相同的震动分量，两束光在相遇点的震动方向大致相 同，并且振幅相差不大，否则干涉条纹中明暗对比度太小，也难以观察到； ( 3 ) 两叠加光波的相位差恒定，相位差的稳定时间要大于或等于观察时 间，这时干涉现象才能被观察到。 满足以上相干条件的光波称为相干光波，相应的光源称为相干光源。但 仅满足上述三个条件，不一定能观察到清晰的干涉条纹，要想观察到清晰的 干涉条纹，一般还需要满足补充条件：两叠加光波的光强不能相差过大。 2 2 3 几种典型的干涉型光纤传感器 光纤传感器种类繁多，加之各自基于原理及完成任务不同，很难将其明 确分类，大致有两种方法来加以分类：一种方法是按照光纤中光的调制方法 分，常见的有强度型、偏振型和相位型三种；另一种方法是按光纤在传感器 中所起作用的不同来分类【3 7 】，如果光纤同时起传输光波和传感作用，即利用 光纤的某些敏感特性或功能完成传感，那么称其为功能型( f f 型) ；如果光纤 仅仅起传输光波的作用，传感由加装在光纤端面的其它敏感元件完成，称其 为非功能型( n f f 型) 。n f f 型又分为两种，一种是把敏感元件夹在发送、接 收的光导纤维之间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏 感元件的光穿透率发生某种变化【2 9 】，这样，受光的光敏元件所接受的光量便 成为被测对象调制后的对象。另一种是在光导纤维终端里以“敏感元件+ 发光 元件 的组合形式，敏感元件感知被测对象并将其转变为电信号后，输入发 光元件( 如l e d ) ，最终以发光二极管l e d 的发光强度作为所得信息。 干涉型光纤传感器主要有马赫泽德、迈克尔逊和法布罩一珀罗三种类型。 ( 1 ) 马赫泽德( m a t h z e h d e r ) 干涉型光纤传感器 从激光二极管发出的光经耦合器分成两束光，分别进入传感光纤和参考 光纤，其中传感光纤随着结构件变形，两路光纤中的光在另一耦合器中发生 哈尔滨j r 程大学硕十学忙论文 干涉后进入探测器，然后对信号进行处理。马赫泽德干涉型光纤传感器的实 际应用受其结构的限制，参考臂光纤不能埋入待测结构中，否则同时受到待 测场的影响就失去了参考的意义，而放在外边又会给实际使用带来不可接收 的“累赘”。 ( 2 ) 迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉型光纤传感器 带有包层的两根单模光纤组合在一个防护层内，光源是激光二极管，光 线进入参考光纤后，再经耦合器进入测量光纤，两光纤另一端的长度为测量 被测物理量的标距，端面处镀银作为反射面，两束反射光耦合后产生干涉， 干涉后的光强由光敏管接收。由于迈克尔逊光纤传感器中存在反射端面，部 分反射光被直接反馈到激光二极管中，会导致光路不稳定并产生噪声。此外， 由于迈克尔逊光纤传感器的两束光干涉发生在光纤耦合器中，且由于外界条 件的影响，很难保持两束光的恒定相位差。 ( 3 ) 法布里珀罗腔( f a b r y p e r o t ) 干涉型光纤传感器 入射光在两反射镜r l 和r 2 往返多次反射形成多光束干涉的输出，当腔 长上或腔中折射率n 随外界因素改变时，其干涉输出也随之改变，由此测出 外界因素的变化【3 8 1 。法布里珀罗腔干涉型光纤传感器中需要将一束光分成两 束光和将两束光合成一束光，因此它具有单传输线、单端点和灵敏度高等特 点。 2 3 光纤f p 干涉传感器 2 3 1 光纤f p 腔的工作原理 目前产生干涉的方法是让同一光源发出的一束光分为两束，再让它们相 遇