基于光学薄膜F-P内腔的光纤传感器研究

目前国内外所研究的外腔式F-P干涉型光纤传感器存在耦合损耗大、工艺复杂和重复性差的缺陷，从而限制了此类传感器的广泛应用。本项目提出一种基于光学薄膜的内腔式本征F-P干涉型光纤传感器的设计思路，采用无离子源辅助真空蒸发技术在光纤端面制备由柱状疏松结构膜层组成的一体式F-P腔光学薄膜传感器。除了可以有效解决外腔F-P光纤传感器中存在的耦合损耗问题外，这种内腔式F-P传感器的腔长变化量是光学腔长，同时受折射率和厚度变化的影响，相对于外腔式F-P干涉型光纤传感器仅受物理腔长变化影响，可以提高传感灵敏度和精度。项目将从理论上分析和模拟计算基于内腔式本征F-P光学薄膜的光学特性，建立膜层折射率和厚度变化与外界条件（如湿度或超声波环境下）敏感关联的理论模型，实验分析和探索基于内腔式本征F-P光学薄膜干涉型光纤传感器的传感机理和特性，为此类光纤传感系统可能的应用开发提供理论依据。

本项目提出研究基于F-P腔光学薄膜的光纤传感技术研究，对于未来开发基于F-P腔结构的光纤传感技术有一定的指导作用。另外，本项目研究过程中还探索了基于敏感薄膜的光纤传感技术，即薄膜不仅限于光学薄膜，而是所有敏感薄膜，另外结构上也不限于F-P 结构，而包含各类结构。.采用多孔硅薄膜和PVDF聚合物薄膜分别研究了其光纤湿度传感特性，其主要原理是在光纤端头制备三层膜的F-P 结构，其中F-P 结构的腔层采用多孔硅薄膜或者PVDF聚合物薄膜制备，当多孔硅薄膜或者PVDF聚合物薄膜在不同湿度环境下由于吸潮导致多孔硅薄膜或者PVDF聚合物薄膜的有效折射率发生变化，从而使得F-P结构的光学腔长发生变化，最终表现为干涉光谱的漂移。这样通过建立相对湿度改变和光谱漂移的关联就可以实现相对湿度的传感。.项目实验研究了基于多孔硅薄膜和PVDF聚合物薄膜的光纤湿度传感特性。对于基于多孔硅薄膜的湿度传感器，实验结果表明该传感器在低浓度的时候（相对湿度73%以下），每10个百分点相对湿度的变化有0.8nm的特征波长飘移；而相对湿度在73%以上时，每10个百分点相对湿度的变化有接近3个nm的漂移。.项目研究了基于敏感薄膜的光纤传感技术，主要研究基于钯膜和氧化钨复合敏感膜的光纤氢气传感器。因钯膜是一种金属膜，其理化特性和二氧化硅光纤介质材料存在很大的差异，从而使得膜层的结合力差，采用氧化钨薄膜作为中间过渡层将有望改善敏感膜层的结合可靠性，实验证实它能有效地解决钯膜传感器因相变导致的机械稳定性差的问题，并且采用侧边抛磨的D型光纤光栅能提高传感器的灵敏度。.项目还研究了基于磁流体薄膜的光纤磁场传感的方案。磁流体薄膜结合侧面抛磨或腐蚀的光纤光栅传感技术是实现磁场传感和材料的一个新思路，在使传感器件微型化的同时，可以有效提高器件传感的灵敏度。实验研究表明，随着背景折射率的增加，侧面抛磨光纤光栅的特征波长向长波漂移，当环境折射率接近包层折射率时，谐振波长急剧增加。并且，剩余包层越小，侧面抛磨光纤光栅对环境折射率的变化越敏感。随着磁场强度的增加，反射的布拉格波长向短波方向漂移。波长的漂移和磁场强度呈现一个非线性的变化关系，当磁场强度增加到16mT时，波长的而变化量达35pm, 其灵敏度大于2pm/mT。