全光纤外差干涉型SPR传感器技术

SPR效应的相位调制模式仅需要固定入射角度的单色光信号，系统中无复杂的机械结构，非常适合应用在光纤SPR传感系统中。相位调制模式具有最高的理论灵敏度，可以弥补光纤SPR传感系统与台式波长调制模式SPR传感系统之间的灵敏度差距。现有相位调制型SPR光纤传感器方案实现了两个正交偏振态严格的共光路传输，但是为了在传输两路正交偏振外差信号同时，避免引入双折射效应，无法实现整个系统全光纤化，缺乏光纤传感系统所具有的应用灵活性，并且稳定性有待改善。针对现有研究中存在的问题，在本项目方案中，提出利用低双折射光纤传输正交偏振外差信号实现系统全光纤化，提出利用压电陶瓷结合椭圆纤芯高双折射光纤实现的低成本全光纤双偏振外差调制方案，提出在系统中采用正弦信号形式的外差调制，实现具有更佳系统稳定性、测量分辨率和应用灵活性的全光纤外差相位调制型SPR传感器系统

在本项目的研究工作中，针对光纤中SPR效应，建立了纤芯介质、金属层、待测物质多层膜结构的理论与数值计算模型。通过数值模拟，研究了不同材质、不同厚度金属层情况下，待测物质折射率变化与光波长、强度和相位变化的数值关系。针对光纤偏芯双模Michelson干涉仪中包层模有效折射率对环境折射率敏感的效应，利用BPM算法对纤芯模式和包层模式的耦合行为进行了数值分析研究，得出了外界环境折射率与包层模的有效折射率关系以及基模与部分包层模间的耦合关系。设计实现反射形式的光纤芯模-包层模Michelson干涉仪折射率传感器，利用该结构实现1.3~1.4范围内折射率测量。对光纤偏芯双模Michelson干涉仪的温度效应进行了实验研究，通过温度补偿，消除温度对折射率测量的影响。基于光纤非平衡干涉仪，利用PGC解调技术，对动态信号的解调机制进行系统实现和实验研究。