（物理电子学专业论文）光纤光栅折射率传感理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 光纤光栅作为种参数周期性变化的全光纤光予器件，从其出现至今，历经近三十 年的理论研究和工程实践的发展，已成为光纤传感和光纤通信领域中必不可少的基础性 元件。温度、应变和外部折射率是光纤光栅传感器能够直接传感的三个基本参数。传统 的光纤光栅传感技术大多基于温度传感和应变传感，而外部折射率传感的受关注程度及 其技术发展的成熟度均不及前两种传感类型。 近年来，随着生物技术的快速发展以及人们对环境监测、生态保护等需求的高速增 长，光纤光栅作为折射率传感器开始引起广泛关注。由于光纤光栅折射率传感器具有很 多不同于以往传感器的独特优势，在这些新兴的领域里将会有十分广阔的发展空闻。本 文针对生物化学传感这一新的应用领域，首次提出了三种新型光纤光栅折射率传感器， 其中包括基于反向包层模谐振的光纤布拉格光栅( f b g ) 折射率传感器、包层折射率调 制光纤光栅折射率传感器和器件直径在亚微米量级的微纳光纤光栅折射率传感器等。本 文基于光纤模式分析和耦合模理论对这三类传感器分别建立理论模型，对其光谱特性和 外部折射率传感特性进行了细致的分析。本文在实验中首次成功制备了光纤布拉格光栅 包层模谐振外部折射率传感器，获得了1 7 2 n m r i u 的高传感灵敏度，证实了理论分析的 结果，并基于此折射率传感器设计了液位传感的应用方案，进行了理论分析和实验研究。 本文中提出的新型的光纤光栅折射率传感器，具有低插损、低成本、传感灵敏度高、折 射率传感范围宽等特点，可以应用于生物化学传感、环境监测、工业质量控制等多种领 域。 关键词：光纤光栅，外部折射率传感，生物传感器，生物化学传感器，液位传感器， 包层折射率调制，反向包层模谐振折射率传感，亚波长光纤光栅。 东南大学博士论文 a b s t r a c t f i b e rg r a t i n g ，a sa na l l - f i b e rp h o t o n i cc o m p o n e n tw i t h p e r i o d i c a lp a r a m e t e r m o d u l a t i o n , h a sb e e nd e v e l o p e dt ob ea ni n d i s p e n s a b l ee s s e n t i a lc o m p o n e n ti ns u c ha r e a s a sf i b e rs e n s i n ga n df i b e rc o m m u n i c a t i o ns i n c ei tw a sf l r s t l yi n 仃o d u c e dt h i n yy e a r sa g o t e m p e r a t u r e ，s t r a i na n da m b i e n tr e f r a c t i v ei n d e xa r et h r e eb a s i cp a r a m e t e r st h a tc a nb e s e n s e d b yf i b e rg r a t i n g s f f l l s o rd i r e c t l y t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns e n s i n gw e r ew e l l d e v e l o p e di nt r a d i t i o n a lf i b e rg r a t i n gs g i i s o r s h o w e v e r , t h et e c h n o l o g yo fa m b i e n t r e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n gd r a w sl e s sa t t e n t i o nt h a nt h eo t h e rt w ot e c h n o l o g i e ss i n c ef e w e r d e m a n d si n t h ep a s t a sar e s u l t ，i ti sa l s on o ta sm a t u r ea st h eo t h e rt w o i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fb i o t e c h n o l o g ya n dt h ef a s tg r o w i n g r e q u i r e m e n t si ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n de c o l o g i c a lp r o t e c t i o n , t h ef u n c t i o no f a m b i e n tr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n go ff i b e rg r a t i n gi n d e xs e n s o rs t a r tt ow i n m o r ep u b l i c a t t e n t i o n s f i b e rg r a t i n gi n d e xs f f l l s o rs h o u l dh a v ee n o u g hs p a c et og r o wa m o n ga b o v e n e wa p p l i c a t i o na r e a si nt h ef u t u r e , s i n c ei th a sm a n ys p e c i a la d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a l s g n g o r t m sd i s s e r t a t i o na d d r e s s e st h r e et y p e so fn e wf i b e rg r a t i n gi n d e xs e n s o r sf o r b i o c h e m i c a ls e n s i n g t h e ya r ee t c h e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) c l a d d i n gm o d e r e s o n a n c er e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r , c l a d d i n gi n d e xm o d u l a t e df i b e rg r a t i n gr e f r a c t i v e i n d e xs o n s o ra n ds u b w a v e l e n g t h - d i a m e t e rf i b e rg r a t i n gr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r 1 五e c a r e f u lt h e o r e t i c a lw o r k sw e r ep e r f o r m e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf o rs u c ht h r e et y p e so f s e l l s o i sb a s e do nf i b e rm o d a la n a l y s i sa n dc o u p l i n gm o d et h e o r y t h e i rs p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s i n gp e r f o r m a n c ew e r eo b t a i n e d n ef b gc l a d d i n gm o d e r e s o n a n c ea m b i e n tr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rw a sf i r s tf a b r i c a t e di no u rl a b o r a t o r ya n da h i g hs e n s i t i v i t yo f1 7 2 n m r i ui so b t a i n e di nt h es e n s i n ge x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v e dt h e t h e o r e t i c a l p e r f o r m a n c e a d d i t i o n a l l y , b a s e do nt h i s s e n s o ral i q u i d - l e v e ls e n s i n g p r o p o s a l i sp r e s a n m d a n db o t ht h e r e o t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r k sa r ed o n e s u b s e q u e n t l y t h o s et h r e et y p e so fn e w f i b e rg r a t i n gi n d e xs e n s o r sh a v et h ef e a t u r e so f l o wi n s e r tl o s s ，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 ed y n a m i cr a n g eo fa m b i e n ti n d e x t h e ya r es u i t a b l ef o rb i o c h e m i c a ls e n s i n g ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n dq u a l i t yc o n t r o li n i n d u s t r i k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，a m b i e n tr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n g , b i o s e n s o r , b i o c h e m i c a l s e n s o r , l i q u i d - l e v e ls e n s o r , c l a d d i n gi n d e xm o d u l a t e df i b e rg r a t i n g , b a c k w a r dc l a d d i n g m o d er c s o d a n c er e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n g , s u b w a v e l e n g t h - d i a m e t e rf i b e rg r a t i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：堕鱼日期： 加1 ，j 哼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：堕垫导师签名：日期：! ! ：! ! ：鉴 第一章绪论 1 1 光纤光栅 第一章绪论 光纤光栅是一种参数周期性变化的全光纤光子器件。传统的光纤光栅是利用光 纤材料的光敏性，在纤芯内沿纵向引入周期性的折射率微扰而制成【1 1 。光纤光栅的 出现对光纤通信和光纤传感技术产生了重大而深远的影响，它不仅使各种全光纤器 件成为现实，还促使人们重新考虑光纤通信系统中各种光学元器件的构成与设计田， 并为构成可复用的分布传感网络铺平了道路p j 。光纤光栅在光纤通信和光纤传感领 域中的里程碑作用已被世人认可，并己逐步发展成为光纤通信和光纤传感等技术领 域里必不可少的基础性元件。 1 1 1 光纤光栅的分类 光纤光栅可以广泛地分为两大类：一类是光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ， 简称f b g ) ，也称为短周期光纤光栅。其光栅周期在亚微米量级，对于1 5 5 0 n m 光 通信窗口而言，约为5 5 0 n m 。这类光栅的光学特性由光纤中前向和后向导模之间的 耦合所决定。如图1 1 ( a ) 所示，在光纤中传输的光经过f b g 时会发生正向传输的纤 芯基模到反向传输的纤芯基模的耦合，这是由光纤中传输的模式之间发生耦合的相 位匹配条件决定的，所以短周期光纤光栅也被称为反射型光纤光栅。反射光栅的作 用相当于一种波长可选( 通过控制其周期) 和带宽可调( 控制光栅强度) 的窄带反 射滤波元件。 l i 汰- ) m = 一ll辨= 0 图1 1 光纤光栅中模式耦合的射线表示( a ) 光纤布拉格光栅对入射光的反射； ( b ) 光纤传输光栅中纤芯模式到包层模式的耦合 另一类为长周期光纤光栅( l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g ，简称l p f g ) ，其周期通 常在几十到几百微米量级。如图1 1 ( b ) 所示，光纤中传输的光经过l p f g 时，满足 东南大学博士论文 相位匹配条件的模式耦合发生在纤芯基模与同向传输的包层模式之间，所以也被称 为传输型光纤光栅。传输光栅的主要作用相当于一个传输特性( 透射率、带宽、形 状) 可调的滤波元件。 1 1 2 光纤光栅的制作方法 1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的ko h i l l 等人最早发现了光纤中的光致 光栅效应，并在掺锗石英光纤中采用内部驻波写入法制成了世界上第一只光纤光栅 【9 1 0 1 。之后的一段时间，虽然人们对光纤光栅颇感兴趣，但由于内部驻波写入方法 的写入效率很低，且光栅周期受到光源波长的限制，使得其研究进程相当缓慢。直 到1 9 8 9 年美国联合技术研究中的gm e l t z 等人发明了光纤光栅的侧向刻写技术之 后【l ”，光纤光栅的应用研究才真正启动起来并得到迅猛发展。 自从1 9 8 9 年横向全息写入法出现至今，对光纤光栅制作的研究已取得飞跃进 展，从所采用的光纤、写入光栅使用的光源，到具体的制作方法都有了全面的发展。 篇幅所限，这里仅重点介绍本文第四章实验中制作光栅所采用的掩模成栅法。掩模 成栅法是目前使用最多、最有利于商业化的一种高效方法。这种方法使用不同的模 板制作不同类型的光纤光栅。如利用均匀周期相位掩模板能够写出均匀周期的布拉 格光栅；用非均匀周期掩模板写出啁啾光栅；用长周期振幅掩模板写出长周期光栅； 将长周期光栅模板于均匀周期光栅模板叠合起来可写取样光栅；用聚焦强光照射均 匀周期光栅，使得局部相位出现阶跃变化，便是相移光栅。 ( a ) 制作光纤布拉格光栅的相位掩模法 相位掩模写入法主要用于制作短周期光纤布拉格光栅。相位掩模法不依赖于入 射光波长，只与相位掩模光栅的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高，易于 得到准确的光纤光栅周期。然而相位掩膜板的制作复杂，必须严格控制相位掩模光 栅的刻蚀深度和占空比，并且一块掩模板一般情况下只能制作固定周期的光纤光 栅。但是由于它大大简化了光纤光栅的制作过程，是现在最有前途、使用最广泛的 一种方法。 图1 2 示出了本文中使用相位掩模法制作f b g 的装置图。实验中采用波长为 2 4 4 n m 的倍频氩离子激光器作为写入光源，光敏光纤通过支架和夹具固定在程控移 动平台上，这样由写入光源发出的紫外激光经过柱面透镜和相位掩模板在紧贴其后 的光敏光纤上聚焦，再通过程序控制移动平台的移动速率和范围对一定长度的光纤 段进行曝光，同时可按光谱仪在线监测光栅写入过程中光谱变化。 2 第一章绪论 图1 2 相位掩模写入法制作f b g 装置图 ) 制作长周期光纤光栅的振幅掩模法 振幅掩膜法是目前制作长周期光纤光栅最常用的一种方法。其制作原理如图1 3 所示，紫外光透过振幅掩模板直接照射到光敏光纤上引起光纤纤芯折射率的周期性 变化。透射型模板可通过刻蚀石英玻璃片上的金属膜制备而成。由于长周期光纤光 栅的周期一般在百微米量级，掩模板制作方便且精度也容易得到保证。用这种方法 制成的长周期光纤光栅的一致性和光谱特性较好。另外，振幅掩膜法对紫外光的相 干性没有要求，可实现光纤光栅批量生产，但制作不同周期的光栅也需要使用不同 的模板。 图1 3 振幅掩模法制作长周期光纤光栅原理图 本文在实验中所用的l p f g 由振幅掩模法制成，其实验装置与图1 2 相似，仅 需将相位掩模板换为振幅掩模板，并设定相应的平台移动速率( 曝光时间) 和移动 东南大学博士论文 范围( 光栅长度) ，即可自动可完成光栅的写入过程。另外，我们还可以采用逐点 写入法制作l p f g 。如图1 4 所示，此方法是利用精密移动平台控制光纤运动的位 移，通过控制电子快门的开关时间和光纤移动速度对光栅每个周期分别曝光，可写 入任意周期和占空比的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，其缺点在于是 需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，写入效率低，不能用于批量生产。 计算机 程控精密移动平台 图1 4 逐点写入法实验装置图 由于长周期光栅的周期较长，在工艺上更加易于实现，近年来又出现了很多通 过机械变形方法实现的制作技术，包括：弧感生微弯法、机械压力法、熔融拉锥法、 非形变加热释放张力法、热扩散法、激光器刻槽法、可调电极放电法、腐蚀刻槽法、 残余张力松弛法等等。这些方法不再利用光纤的光敏性，而是采用直接改变光纤结 构的方法来实现周期性调制。 1 1 3 光纤光栅的应用领域 光纤光栅具有许多独特的优点，它的出现为整个光纤应用领域注入了新的元 素，使许多复杂的全光纤通信和传感网络的构想成为可能，极大地拓宽了光纤技术 的应用范围。 从光纤通信的角度来看，光纤光栅几乎可以运用到其中的每一个领域，影响到 光源、光放大、光纤色散补偿、光信号处理等各个方面。由光纤光栅制成的各种全 光器件，如全光纤激光器、全光纤滤波器等，将各种全光纤器件集成在一条光纤里， 实现全光纤一维光子集成，许多集成型光纤信息系统也将成为现实。光纤光栅与半 导体激光器相结合，可构成外腔半导体激光器【”，实现窄线宽、单频运转；与稀土 掺杂光纤相结合，可构成光纤激光器【1 3 1 ，并在一定范围内可实现输出波长的调谐； 与其他光纤器件结合可用作光纤波分复用器以实现波分复用( w d h ) 系统中多路信 号的解复用【1 习；啁啾光纤光栅可用于光纤的色散补偿【1 6 1 ，实现脉冲压缩的功斛17 】； 4 第一章绪论 长周期或闪耀型光纤光栅可对掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益谱进行平坦化 1 5 , 1 9 1 。 并且可抑制其放大引发辐射( a s e ) 谱，增大可利用谱宽，提高信噪比，所有这些 应用都显示出光纤光栅在整个光纤通信领域中的重要性。 与光纤通信技术相对应，光纤传感技术也为光纤光栅提供了广阔的用武之地 p 叫。早在1 9 7 8 年，第一只光敏光纤光栅诞生之时，h i l l 等人就对它的温度和应力 特性进行分析，指出了它在温度、应力、应变等方面的传感潜力。随着光纤光栅技 术的发展，目前人们已从单点到网络、从单参量到多参量对之进行了全面的研究并 获得了许多很有价值的实验成果。另外，可在同一根光纤上可制作多个光栅，不同 根光纤之间以适当方式连接起来，借助波分、时分、空分以及复合复用信号处理技 术形成传感网络，对待测量进行准分布传感，这突显其优点，也是其他传感器不可 取代的。本征型的光纤光栅传感元不受电磁场干扰，可进行分布式传感测量，即便 弱信号也可长距离传输并进行处理。用在特殊场合( 如煤气旁、矿井下、油田以及 油罐周围) 可对某些物理量进行安全地监测。传感回路易于植入、或附着在结构表 面，能够实时提供应变、温度以及结构完整性方面的信息，且布置比较灵活。采用 适当的技术手段，光栅还可以用来同时监测环境温度、应变或能引起光纤中光栅部 分发生应变的其他物理量。 近年来，由于生物传感器的发展和需求圆，光纤光栅作为折射率传感器正在开 始受到越来越多的关注【2 l 】。众所周知，检测自然环境中的物理、化学和生物参数对 生态系统保护而言是十分重要的。光纤光学传感器由于具有体积小、传感灵敏度高， 可用于分布式传感测量等特点，比传统的电化学传感器具备更多的优势 2 2 , 2 3 1 。目前， 基于消逝波相互作用【刎的光纤生物传感器已经得到大量研究【2 5 】，并在医疗和环境检 测中得到了应用 2 6 - 3 9 1 。已开发出的光纤传感技术也能够检测抗体、核酸、毒素、杀 虫剂、爆炸物和其他小分子等多种物质。通常光纤生物传感器是利用硅表面化学修 饰，即在表面固定诸如抗体之类的生物分子的方法来进行传感。固定生物分子的方 法有很多种如利用抗生物素蛋白桥、共价固定以及通过吸收和凝胶俘获的非共价吸 附等等。首先培育目标抗原的固定抗体，这一抗体要带有能够优先检测出目标抗原 的辅助标记( 如荧光团或者放射性同位元素) ，再采用夹层免疫测定检测在光纤表 面产生的实时荧光或者放射性信号作为标记抗原与固定抗体的特定反应。这类方法 的主要缺陷在于需要抗原标记和附加试剂，而且它对于生物过程生物实时监测也是 不可能的。 另外一类监测生物化学变化的方法是监测待测物折射率的变化【帅】。待测物发生 变化时通常会引起在消逝场作用区域内绑定了目标抗原的派生表面上发生折射率 的变化。通过对折射率的传感可以直接检测分子反应和实时变化的过程。光纤光栅 东南大学博士论文 折射率传感器即是此类传感器的杰出代表。 1 2 光纤光栅折射率传感器研究进展及其在生物化学领域的应用 光纤光栅可将光纤中传播的光波从一种模式耦合至另一模式上，发生耦合所对 应的波长为光栅间光程的量度，而该光程是温度、应变和外部折射率等参量的函数。 故波长编码的该光子元件即可直接用于监视温度、应变和外部折射率的变化，其他 物理量( 如位移、湿度、压力、电、磁、声音、振动、浓度等) 则可以借助某种装 置转化为这三个物理量，从而被非常灵敏地探测。温度、应变和外部折射率是光纤 光栅可以直接传感三个基本参量。光纤光栅在温度和应变传感方面的研究开始较 早，目前已经发展的较为成熟【7 8 】并已有了大量的应用【4 h 3 1 ，而在折射率传感方面的 研究才刚刚起步。并且鉴于当前生物技术的快速发展以及与在人们密切相关的环境 监测、生态保护等领域需求的高速增长，光纤光栅折射率传感器在这些新兴的领 域里将具有十分广阔的发展空间。因此，本文将重点关注光纤光栅对外部折射率变 化的传感特性。 1 2 1 光纤光栅折射率传感器研究现状 光纤光栅折射率传感器主要分为两类：一类基于短周期光纤光栅 4 5 - 6 4 ，另一类 基于长周期光纤光栅【6 5 删。 目前，基于短周期光纤光栅的折射率传感方案都是基于纤芯基模布拉格谐振， 由于光纤包层的存在，单模光纤的纤芯基模受外界折射率变化的影响不大，只有当 外部介质非常靠近纤芯消逝场时才能获得较大的折射率传感灵敏度。所以为了进行 高灵敏度折射率传感，化学腐蚀的方法被大量采用，以减小f b g 的包层直径使外 部传感介质尽可能的靠近纤芯基模消逝场。文献 4 5 j 报道了直径6 9 m 的腐蚀包层f b g 折射率传感器和直径3 t u n 的腐蚀光纤f a b r y - p 6 r o t 折射率传感器，其最大折射率传 感灵敏度为7 1 2 n n g r i u ，在l p m 的光谱分辨力下，能够探测1 4 x 1 0 4 的外部折射 率变化。文献 4 0 3 报道了直径为8 5 1 m a 包层全部腐蚀的f b g 传感器，它利用纤芯基 模谐振，在l p m 的光谱分辨力下，外部折射率分别为1 4 5 和1 3 3 附近获得了1 0 - 5 1 0 4 传感精度。文献【4 8 j 报道了直径为3 4 9 i n 的部分腐蚀纤芯的f b g 折射率传感器，其 最大折射率传感灵敏度达到了1 3 9 4 n m r i u ，在1 0 p r o 的光谱分辨力下，当外部折射 率接近1 4 4 时能够最小探测7 2 x 1 0 - 6 的折射率变化。随着腐蚀程度的不断加深，当 包层完全去掉后光纤由单模变为多模，文献【4 9 】给出了一个直径为5 岫的利用多模 6 第一章绪论 f b g 高阶模进行外折射率传感的方案。据报道，利用多模f b g 的高阶模进行折射 率传感比利用纤芯基模，灵敏度至少提高了6 倍，这是也迄今为止利用f b g 进行 外部折射率传感报道出来的最大灵敏度。 长周期光纤光栅耦合机理是前向传输的纤芯基模在满足相位匹配条件的几个 特定波长处与同向传输的包层模式之间的耦合。在传输过程中，包层模很快损失掉， 所以l p f g 基本上没有后向反射，而在其透射谱中显示出几个特定波长的吸收峰。 基于长周期光纤光栅的折射率传感方案，即是利用光纤中的同向包层模谐振来对外 界折射率变化传感，由于包层模式有效折射率的任何变化都会改变l p f g 传输光谱 的特性【的j ，使吸收峰发生改变，所以l p f g 能够在不损伤光纤机械强度的情况下获 得很高的灵敏度 6 7 一。利用l p f g 包层模谐振直接探测外部折射率配以适当的解调 技术灵敏度可达到1 0 。7 。另外，l p f g 也可利用i - i f 酸腐蚀部分包层的方法来提高折 射率传感灵敏度【6 5 朋l 。 由于l p f g 是传输型光栅。传感时需要探测其透射谱，实际使用中不够方便。 基于端面镀a g 结合氢氟酸腐蚀方法可实现单端l p f g 传感 7 0 1 ，但增加了传感的复 杂度。而且l p f g 的同向包层模谐振光谱带宽在几十n m 的量级，虽然它对外部折 射率变化的灵敏度很高，实际测量精度还是受到了很大的限制。而短周期光纤光栅 是反射型光栅，它用作传感器可直接探测反射谱进行单端传感，这是它比长周期光 纤光栅的一个优势所在。但是利用f b g 纤芯模谐振进行折射率传感，必须对光纤 进行腐蚀，而且为了得到较大的传感灵敏度，必须腐蚀到接近纤芯基模消逝场的程 度或者完全去掉光纤的包层，这样光纤的机械强度就会大大下降。还有其他一些方 法可以实现折射率传感，如对光纤光栅进行侧面研磨 6 0 , 6 “，或者利用特种d 型光纤 制作光纤光栅进行传感【6 2 ”】，但这样工艺相对复杂很多，而且特种光纤的使用也会 使成本大大增加。 1 2 2 光纤光栅折射率传感器在生物化学领域的应用 1 ) 在生物传感中的应用 光纤光栅折射率传感器可以用作生物膜厚度传感器【7 n 。在l p f g 的光纤包层外 涂上特殊的生物活性膜层。当生物膜层厚度发生变化时，将引起l p f g 谐振波长的 改变，通过测量l p f g 谐振波长的移动量就能得到生物膜层厚度的变化量【7 2 】。利用 l p f g 特定包层模的双峰谐振进行生物膜传感，还可以提高传感的灵敏度【7 3 1 。 光纤光栅折射率传感器可以用作生物免疫传感裂7 4 7 9 】。检查血浆中是否存在某 种特殊的抗体时，可以利用与之互补的特殊抗原。常用的生物传感器方法要么体积 7 东南大学博士论文 很大需要大量的测试样本，要么需要有毒的( 荧光) 指示剂，而且一次只能做一种测 试，不能做体内检测。光纤光栅免疫传感器在l p f g 外绑定一层生物抗体，通过探 测抗原和抗体发生键合反应时引起抗体折射率的变化，来确定血液里是否存在抗 原，并可检测出抗原的含量。 2 ) 在化学传感中的应用 光纤光栅折射率传感器可用于化学传感碡2 - 5 4 , 6 2 ，6 4 - 6 5 , 6 7 , 7 0 ，测量化学溶液的浓度。 因为环境中的化学物质的浓度变化会引起光纤光栅外部环境折射率的变化，由于光 纤光栅倏逝波与外界的相互作用，其中心波长也会随外部化学物质的浓度的变化而 变化，由于光纤光栅对折射率的变化具有很高的灵敏度，用来测量化学溶液的浓度 时也具有很高的精度。目前利用长周期光栅已经测出了许多化学物质的浓度【8 0 , 8 1 】， 包括蔗糖、乙醇、己醇、丙三醇、十六烷、c a c l 2 、n a c ! 等等。原则上，任何折射 率在1 3 和1 4 5 之间的化学物质都可用光纤光栅折射率传感器来进行探测。 3 ) 在工业质量控制中的应用 在许多工业质量控制过程中，为了检测产品浓度的稳定性和非正常的老化效 应，特别关注对储液、稀释液以及水溶性工业流体浓度的测量。现在广泛使用的是 离线折射计，如阿贝( a b b e ) 折射计，分辨力达0 2 。但是，实际问题中往往需 要进行在线测量。在线测量技术要求在检测浓度时无需对待测物质进行实验处理， 尤其在生产危险性溶液或者待测物质无法接触( 如冷冻系统中) 的情况下能够使用。 使用光纤光栅传感器就可以解决实时在线测量的问题，不仅传感精度比阿贝折射计 大大提高，而且无电磁干扰，更易于实现分布式传感。 实时高精度液位检测在传感领域里也具有重要的意义和价值，特别是石油化工 行业中，如储油罐液位测量，油水分离器的油水界面监控等。传统的液位检测方法 在自动化、精密度、安全性等方面存在明显不足，不适应于安全性要求高的场合应 用。光纤传感器能够克服传统方法在安全性方面的缺陷，也使传感精度得到大大提 高 s 2 1 。文献【8 3 1 给出了基于反射光功率探测的光纤布拉格光栅液位传感方案。文献【踟 给出了利用长周期光纤光栅的同向包层模谐振直接进行液位传感的方案，该方案结 构简单而且具有很高的灵敏度。 另外，根据光纤光栅折射率传感原理和微应变传感原理在l p f g 外镀上一层随 特定气体含量而发生变化的敏感薄膜，可以制成气敏传感器，用于管道气体瓦斯检 测以及危险环境下如高辐射核废料附近气体浓度检测【8 5 】。文献【8 司采用溶胶凝胶法在 l p f g 表面镀上一层二氧化锡薄膜，通过探测薄膜与敏感气体作用后薄膜厚度和折 8 第一章绪论 射率的改变引起的波长偏移来进行乙醇和甲烷气体的传感。文献【5 7 】在f b g 外镀耙 利用耙膜吸收氢气后体积膨胀来拉伸f b g ，利用f b g 应变传感原理进行外部氢气 浓度传感。光纤光栅还可以用作气敏湿度传感器【翊，在f b g 外涂覆聚合物利用f b g 对微应变的传感原理进行相对湿度检测。在实际工业检测应用中，还可以引入参考 光栅等方法对参数交叉敏感问题进行分辨【5 9 1 。 由此可见，光纤光栅折射率传感器不仅具有传统光纤传感器的诸多优点，如尺 寸小，成本低，结构紧凑，无电磁干扰，适应于安全性要求高的场合等等，同时作 为折射率传感器与传统折射率测量方法相比更加具有高精度、快速实时响应和可在 线测量的优势。对于各类光纤光栅折射率传感器本身的特性研究及其在上述相关领 域内的应用研究正在形成国内外的研究热点和应用领域内的新增长点。因此，本论 文针对这一现状，对新型光纤光栅折射率传感开展了相应的研究。 1 3 三种新型光纤光栅折射率传感方案的提出与创新点 1 3 1 光纤布拉格光栅反向包层模谐振与折射率传痘 由上一节光纤光栅折射率传感器的研究现状中可以看出，现有的各种传感方案 都各自存在着一些优势和缺点。利用l p f g 比f b g 具有更高的折射率传感灵敏度， 这是因为它利用了光纤的包层模式，而包层模式的传播特性与外部折射率直接相 关，但l p f g 折射率传感器也存在一个明显的缺点光谱带宽很宽，通常在几十 个蛳的量级。利用f b g 纤芯基模谐振进行外部折射率传感比基于l p f g 的传感方 案所具有的优势在于它可以直接探测反射谱，而且光谱带宽很窄，小于l n m ，但由 于光纤包层的存在，纤芯基模不会直接受到外部折射率的影响，因而在光纤未腐蚀 到接近纤芯消逝场的程度时，传感灵敏度非常低。 由此，本文结合上述现有传感方案的优点首次提出了基于腐蚀后光纤布拉格光 栅的反向包层模谐振的外部折射率传感方案。在f b g 中，满足相位匹配的耦合不 仅发生在前向传输的纤芯基模与反向传输的纤芯基模之问，同时还存在着前向传输 的纤芯基模到反向传输的各阶包层模式的耦合，这些包层模耦合在f b g 的透射谱 上表现为在布拉格谐振峰的短波方向上出现的一系列损耗峰。由于包层模式对外界 折射率的变化比纤芯基模更为灵敏，所以利用f b g 反向包层模谐振进行外部折射 率传感有可能获得远高于传统的f b g 纤芯基模谐振传感器的灵敏度。同时f b g 反 向包层模谐振具有更窄的光谱带宽，仅为f b g 纤芯基模谐振的1 4 、为l p f g 同向 包层模谐振带宽的1 1 0 0 ，在实际应用中也更易获得较高的精度。不过，通常情况 下f b g 反向包层谐振远弱于纤芯基模谐振，所以还需要通过化学腐蚀的方法来减 小光纤包层的直径。随着包层直径的减小，f b g 中纤芯基模到反向包层模的耦合会 9 东南大学博士论文 逐渐增强，同时包层模式受外界折射率的影响也得到增强，从而进一步增强了f b g 反向包层模式的谐振波长对外界折射率的灵敏度。本文首次对这一折射率传感新方 案进行了详尽的理论分析和实验研究，并对基于同向包层模耦合谐振的长周期光纤 光栅折射率传感器在相同条件下进行了比较的实验研究。最后还基于腐蚀后光纤布 拉格光栅的反向包层模谐振设计并实现了可用于工业控制的高精度液位传感器。 1 3 2 包层折射率调制光纤光栅与折射率传感 众所周知，只有在光敏性较强的光纤中才能光刻出高性能的光纤光栅。光纤光 栅的快速发展和大量应用，对刻写光纤光栅所用的光敏光纤的性能也提出的更高的 要求。纤芯中的锗元素是光致折射率变化的关键因素，掺锗浓度越高，光敏性越强， 经紫外光照射后的光纤中的折射率改变量越大。但是，仅仅通过提高纤芯掺杂比例 来改善光敏性会使光纤的损耗大大增加。而光纤中传输的光又主要集中在纤芯中， 这样，由纤芯重掺杂光敏光纤制成的光纤光栅就不可避免地具有产生很大的插入损 耗。虽然对于单个光栅，由于光栅长度所限，损耗问题不很明显，但在未来光纤光 栅大规模用于光纤通信系统或者分布式传感系统以后，因复用、级联而引起的累积 损耗闯题就不容忽视了。因此，如何得到同时具有高光敏性和低插入损耗的光纤光 栅就成为一个有待研究的重要问题。 由此，本文提出了一类新型包层折射率调制光纤光栅。这种光纤光栅的纤芯折 射率保持不变而包层折射率受到周期性调制。传统的光纤光橱都是纤芯折射率调制 的，其最基本的工作机理是在光纤的纤芯中引入周期性的折射率扰动，引起纤芯基 模与光纤中的其他模式的耦合，从而对光纤中传输的光的波长、振幅、偏振等等产 生调制作用。由于光纤中传输的光主要集中在纤芯中传输，所以由纤芯掺杂引起的 损耗就特别严重。但光纤中传输的光并不完全集中在纤芯中，包层中仍然有一部分 能量以消逝场的形式存在。如果对消逝场存在的区域引入周期性折射率扰动，而让 传输主要能量的纤芯折射率保持不变，就有可能减轻由掺杂引起的损耗。因此，我 们首次对新型包层折射率调制光纤光栅的耦合机理、光谱特性和外部折射率传感特 性进行了细致的研究，并从模式耦合、光谱特性、传感特性以及插入损耗等各个角 度与传统纤芯折射率调制的情况进行了比较。 1 3 3 亚波长尺寸微纳光纤光栅与折射率传感 小尺寸传感器一直都是传感领域中关注的焦点，特别是对于生物化学传感尤其 重要。光纤传感器是我们目前能够实现的最小的传感元，当前一般传感用光纤光栅 的直径尺寸在百微米量级，前述的l p f g 折射率传感器就在这一量级。本文中研究 l o 第章绪论 的基于包层模谐振的f b 6 折射率传感器的尺寸量级在几十微米左右。其他通过化学 腐蚀的工艺去掉光纤包层的基于纤芯基模谐振的f b 6 折射率传感器，尺寸在几个微 米的量级。一般而言，随着光纤直径的减小，传感光栅区域与外界的相互作用增强， 对外界折射率的传感灵敏度也会不断提高。但是，当光纤传感区域直径尺寸减小到 几个微米量级时，由于光纤结构的变化，原本纤芯中只传输基模的单模光纤会转变 为支持多个模式传输的多模光纤嘲。本文细致研究了这一过程并发现：如果继续减 小光纤的直径，多模光纤还可进一步转化为单模。目前，光纤直径在亚波长量级的 微纳光纤的制作已经在实验上获得了成功删，这使得制作更小尺寸，如直径在亚 微米量级的光纤光栅折射率传感器也将成为可能。 由此，本文对光纤光栅的尺寸与外部折射率传感之间的关系进行了细致的研 究，首次对光纤直径在亚波长量级的微纳光纤光栅的光谱特性和折射率传感特性进 行了理论分析。利用耦合模理论研究了微纳光纤光栅的模式耦合机理与耦合特性， 分析了器件尺度、耦合强度与外部折射率传感之间的关系，并数值模拟了微纳光纤 光栅的光谱及其光谱对外部折射率变化的传感特性。 1 3 4 本文创新点小结 1 、首次提出利用f b g 反向包层模式进行外界折射率传感的方案，对f b 6 反向 包层模式外界折射率传感特性进行了理论分析。 2 、首次实验研究了腐蚀后f b g 反向包层模谐振折射率传感器的传感特性。 3 、利用f b g 反向包层模折射率传感器进行高精度液位传感，建立理论模型并 进行了液位测量实验。 4 、对新型包层折射率调制光纤光栅的光谱特性及外部折射率传感特性进行了 理论分析。 5 、对直径在亚波长量级的微纳光纤光栅的光谱特性及外部折射率传感特性进 行了理论分析，研究了光纤光栅折射率传感器尺度与传感灵敏度的关系。 1 4 本论文的主要内容 本篇论文主要研究以下几个方面的内容：光纤光栅光谱与外界折射率变化的关 系；腐蚀后f b g 包层模谐振折射率传感特性；腐蚀后f b g 反向包层模谐振与l p f g 东南大学博士论文 同向包层模谐振用于外部折射率传感的比较；腐蚀后f b g 包层模谐振液位传感器： 包层折射率调制光纤光栅的光谱特性与外部折射率传感特性；包层折射率调制光纤 光栅与传统纤芯折射率调制光纤光栅折射率传感方案的比较；微纳光纤光栅的光谱 特性与外部折射率传感特性分析。 论文的第二章总结了纤芯折射率调制光纤光栅的基本理论。首先介绍了均匀及 非均匀光纤光栅的各种折射率调制类型。然后。由光波导理论出发，分析了光纤中 的模式与场。详细介绍了纤芯基模和各阶包层模式的传输常数满足的色散方程以及 在光纤三层阶跃折射率几何模型下，复杂的包层模色散方程的求解方法。利用耦合 模理论解释了光纤光栅中模式耦合发生的机理。最后介绍了纤芯非均匀折射率调制 光纤光栅的理论分析方法。 论文第三章对腐蚀后f b g 反向包层模谐振折射率传感器进行了细致的理论分 析。首先在光纤三层模型下，利用考虑多个模式耦合作用的耦合模理论，分析了腐 蚀前后f b g 的包层模谐振谱，计算出包层模谐振光谱在化学腐蚀过程中随光纤直 径减小而发生的演化。这对于实际中控制f b g 腐蚀程度及保持传感器的机械强度 具有一定的参考意义。之后，我们研究了在不同光纤直径下各阶次包层模谐振对外 部折射率变化的响应，从理论上证明了利用腐蚀后f b g 包层模谐振进行外部折射 率传感的可行性，并分析出其传感规律和特性，这对于折射率传感器的设计也具有 重要的参考价值和指导意义。 论文的第四章对腐蚀后f b g 反向包层模谐振高灵敏度外部折射率传感进行了 实验研究。首先利用前述的相位掩模法制作了短周期光纤光栅，然后对它进行了化 学腐蚀，并在不同腐蚀程度条件下分别测量了不同阶反向包层模谐振对外界折射率 变化的响应，与l p f g 的同向包层模谐振传感特性和f b g 布拉格谐振折射率传感 特性进行了对比分析。最后基于腐蚀后光纤布拉格光栅反向包层模谐振折射率传感 特性设计了液位传感方案，并进行了相应的理论和实验研究。 论文第五章是对新型包层折射率调制光纤光栅的理论分析。首先介绍了新型包 层折射率调制光纤光栅的结构。然后在光纤三层阶跃折射率模型下，利用耦合模理 论对其耦合机理和耦合特性进行了系统的分析。数值模拟了包层折射率调制f b g 和 l p f g 光谱，分析了这种新型结构的光纤光栅的光谱特性和外部折射了传感特性。并 与传统的纤芯折射率调制光纤光栅进行了对比分析。最后，理论分析包层折射率调 制光纤光栅的损耗。 论文第六章是对直径在亚微米量级的微纳光纤光栅的光谱特性和外部折射率 传感特性的研究。首先从光纤光栅器件尺度与外部折射率传感特性的关系的角度对 第一章绪论 光纤光栅折射率传感器进行了系统的总结与分析。然后在具体模型下，利用耦合模 理论研究了微纳光纤光栅的模式耦合机理与耦合特性，分析了器件尺度、耦合强度 与外部折射率传感之间的关系，并数值模拟了微纳光纤光栅的光谱及其外部折射率 传感特性。 参考文献 1h i l lko ，g e r a l dm e l t z f i b e rb r a g gg r a t i n g “：c b n o l o g yf u n d a m e n t a l sa n d o v e r v i e w j jl i g h t w a v et e c h , 1 9 9 7 ，1 5 ( 8 ) ：1 2 6 3 - 1 2 7 6 2g i l e sci 乙l i g h t w a v ea p p l i c a t i o n so ff i b e rb r a g gg r a t i n g s j jl i g h t w a v et e e h , 1 9 9 7 ，1 5 ( 8 ) ：1 3 9 1 - 1 4 0 4 3 k e r s e yad ，d a v i sma p a t r i c