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非绝热结构模式干涉高灵敏度光纤传感器.docx
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非绝热结构模式干涉高灵敏度光纤传感器.docx
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摘要
为解决干涉型锥形微纳光纤传感器结构尺寸长、加工重复性低的问题,设计了一种非绝热锥
形微纳光纤传感结构。首先基于光纤模式理论研究了干涉型锥形微纳光纤传感器的传感灵
敏度对腰部直径的依赖关系及其不同部位的传感特性,并研究了非绝热条件下在光纤拉锥过
程中进行模式控制的方法。在此基础上设计并制作了腰部直径为 3.1 μm、锥腰长度为 1.1
cm 的锥形微纳光纤传感结构,其低折射率检测灵敏度高达 90250 nm/RIU。该结构具有尺
寸短、加工重复性好的特点,为实现传感器的小型化、集成化提供了基础,有望用于生物医
疗、环境监测等领域。
Abstract
Given the large structure size and low processing reproducibility of the interferometric
tapered micro/nano fiber sensor, this paper proposed a non-adiabatic tapered micro/nano
fiber sensing structure. First, the dependence of the sensing sensitivity of the
interferometric tapered micro/nano fiber sensor on the waist diameter and the sensing
characteristics of different parts was investigated according to the fiber mode theory.
Then, mode control in the tapering process of the fiber under the non-adiabatic condition
was studied. On this basis, a tapered micro/nano fiber sensor structure was designed
and fabricated with a waist diameter of 3.1 μm and a taper waist length of 1.1 cm. Its
detection sensitivity of low refractive indexes reached 90250 nm/RIU. This structure, with
small size and high processing reproducibility, lays a foundation for miniaturization and
integration of sensors and is expected to be used in fields such as biomedicine and
environmental monitoring.
1 引言
光纤传感器体积小、成本低、抗电磁干扰能力强,具有结构简单、检测时间短、灵敏度较高
等优点
[1-2]
,当前已经成为科研界的研究热点之一
[3]
,不仅在工程领域如环境监测、国防安全等
方面得到了广泛应用,也越来越在生物医学领域发挥了举足轻重的作用
[4-7]
。按结构的不同,
微纳光纤传感器主要有干涉型微纳光纤传感器、谐振腔型微纳光纤传感器、光栅型微纳光
纤传感器、表面等离子体共振(SPR)微纳光纤传感器与光子晶体光纤传感器这几种
[8-12]
。而
干涉型锥形微纳光纤传感器以其高灵敏度获得了世界各地科研工作者们的广泛关注
[13-17]
。
干涉型锥形微纳光纤传感器的本质是基于模式的干涉,输入光经过一侧锥部激发起高阶模,
当传输至另一侧锥部的高阶模与基模发生干涉,干涉光谱随环境折射率(RI)的改变发生光谱
移动的现象。目前对于干涉型锥形微纳光纤传感器,光纤中两个模式在色散转折点(群有效
折射率差等于零时)处的灵敏度趋于无穷大,为实现超高灵敏的检测提供了基础。Li 等
[18]
制
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