基于量子点填充的光子晶体光纤多参量荧光温度传感器研究

To fitting the requirements of The Internet of Things(IOT), a kind of photonic crystal fiber(PCF) temperature sensors based on quantum dots filling and their quasi-distributed measurement systems will be studied in this project. Band gap photonic crystal optical fibers(BGPCF) used as working fibers, quantum dots mixed with the liquid of high refractive index material and filled in inside photonic crystal fibers, the sensor key questions in theory and experiment will be studied in details. The influence of PCF structure parameters and length on the propagation characteristics under forward and bacward stimulated fluorescence emission situations also will be researched.Besides the sensitivity of fluorescence to temperature, the excitation light passing through the photonic crystal fiber is also sensitive to temperature. Therefore, different from traditional fluorescent optical fiber sensors, multi-parameters such as the excitation light intensity in the photonic crystal optical fiber, fluorescence wavelength, fluorescence intensity and fluorescent lifetime, are all used as the parameters for temperature sensor. When the intensity ratio between excitation light detected and fluorescence is used as a parameter of temperature, we try to find a compensation way to enhances the sensor signal-to-noise ratio, and realize high sensitive purpose.Making use of the characteristic of broad excitation light wavelength scope for quantum dots, choosing different quantum dot material, different shape, the structure and the size quantum dots, are ways to adjust fluorescent wavelengthes to realize multichannel measurement.

面向物联网对先进温度传感器的需求，本研究计划将对基于量子点填充的光子晶体光纤多参量荧光温度传感器及其准分布式测量中的科学问题进行较为深入的理论和实验研究。拟采用带隙型光子晶体光纤作为温度传感器的工作光纤，量子点以及折射率温度敏感材料为光子晶体光纤中的填充介质，研究传感器的相关理论、信号补偿方式和分布测量方法中的关键问题。研究正向激发和反向激发情况下的传感器温度特性，研究光纤结构参数和长度等对传感器的影响。研究传感器输出的激发光强度、荧光波长、荧光强度和荧光寿命为测温参量的多参量光子晶体光纤荧光温度传感器，通过分析传感器输出的激发光和荧光的关联性，提出提高传感器信噪比的补偿方式，实现超灵敏温度测量。利用量子点宽泛的激发光波长范围，通过选择不同的量子材料，或具有不同形状、结构和尺寸的量子点，调节荧光波长，实现多通道测量，建立一种准分布式光子晶体光纤荧光温度传感器的理论和实验方法。

本项目面向物联网对先进温度传感器的需求，研究了基于量子点填充的光子晶体光纤多参量荧光温度传感器及其准分布式测量方法，对其中的科学问题进行了较为深入的理论和实验研究。经过对带隙型、全反射型和简化型空芯微结构光纤（PCF）进行了比较实验研究，最终采用简化型空芯微结构光纤作为温度传感器的工作光纤，量子点以及折射率温度敏感材料为光子晶体光纤中的填充介质，研究了传感器的相关理论、信号补偿方法和分布测量方法中的关键问题。为制备高性能传感器，我们发展并实现了一种全光纤型液芯微结构光纤。将微结构光纤与端面开槽的多模尾纤相熔接，通过开槽后形成的开孔进行液体填充，最后通过固化胶将填充液体封闭在微结构的气孔中，形成全光纤型液芯微结构光纤。采用最佳的PCF构成透射式（正向激发）和反射式（反向激发）两种结构的光子晶体光纤荧光温度传感器，分别对两种结构的光子晶体光纤荧光温度传感器的荧光光谱进行分析，分别探究其荧光光谱的波长、强度和半高宽度随温度的变化情况。得出透射式和反射式两种结构的荧光波长随温度变化的灵敏度分别为135 pm/℃和126.9pm/℃。重点研究了全光纤型量子点荧光温度传感器的特性，分析了荧光峰值波长和强度、荧光峰半高全宽与温度之间的关系。其中荧光峰值波长随温度的升高向长波方向移动，灵敏度为130.9pm/℃，实现超灵敏的温度传感。通过分析多参量的相关性，建立了提高传感器信噪比的补偿方法此外，提高了传感器的性能。在强度分析中，采用自参考法，有戏改善了荧光强度与温度之间的重复性，得到的自参考荧光强度随温度的变化灵敏度为-0.008/℃，强度解调法避免了波长解调法昂贵的设备和繁琐的算法问题，有力地推动了光纤荧光温度传感器的实用化。提出并实现了一种基于波长复用的量子点填充微结构光纤荧光温度传感系统。通过在微结构光纤中填充两种荧光波长不同的量子点来构成波分复用的传感系统，建立一种准分布式光子晶体光纤荧光温度传感器的理论和实验方法。