螺旋芯光纤SPR传感器研究

The purpose of this project is to invent the helical-core fiber SRP sensors and theoretically and experimentally demonstrate its properties. This kind of sensors is fabricated by the helical-core fiber (HCF) with locally removed cladding and a thin gold-coated film that supports a surface plasmon wave. Multiple SPR sensors in series could be formed by using the periodically twisted micro bending core structure of HCF. The sensing perfomance can be influenced by the twisting pitch, thickness of the gold layer and the residual cladding layer. An integration application of multiple SPR sensor will be accomplished by using the periodically twisted micro bending structure of HCF in this project. And this technique will be widely applied in many sensing fields, such as micro-flow sensing, distributed optical sensing, biological and chemical sensing, due to its several advantages compared with the prism-based SPR sensing device, such as a small size, easy fabrication and integration.

本项目拟开展一种新型螺旋芯光纤表面等离子共振（SPR）传感器研究。该器件主要通过螺旋芯光纤侧抛镀膜制备而成，由于螺旋芯光纤周期性螺旋纤芯结构，可在一个纤芯上形成多个SPR传感器的串联阵列。一方面，这些传感器阵列可通过光纤纤芯的螺距来控制传感器SPR共振波谷的位置，实现共振波谷重叠的SPR增强型传感或者各个共振波谷分离的分布式传感。另一方面，也可以通过增加螺旋纤芯的数量来实现在多个纤芯上的多通道SPR分布式传感，进一步扩展了SPR传感的分布式应用能力，并且可以同时达到增强SPR传感灵敏度和分布式传感的目的。因此，本项目提供了一种尺寸小，集成度高，灵敏度高，便于分布式应用的光纤SPR传感器件，在微流、分布式、网络化集成传感应用方面都具有十分潜在的应用价值。

光纤表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）传感器具有传统传感器件无可比拟的优势，兼备体积小、灵敏度高、集成度高、抗电磁干扰、无需标记、结构灵活、可实现远程实时监测以及在复杂恶劣环境下仍可正常工作等诸多优势，成为光传感领域中的重要分支和热点研究方向。顺应传感器趋于多功能化、小型化、集成化的大趋势，开发新型光纤SPR传感器对于促进我国新型光纤技术以及传感技术的发展与应用具有十分重要的意义。.借助于特种光纤拉制技术与光纤热融扭转和侧面拋磨微加工技术，本项目提出并研制了一类基于螺旋芯光纤的SPR传感器，该传感器主要通过螺旋芯光纤侧抛镀膜制备而成。当一根光纤上只集成单螺旋结构时，该传感器可实现对单一参量的高灵敏度测量；当一根光纤上集成了多个不同扭转螺距的螺旋结构时，该传感器就实现了级联式螺旋芯光纤SPR传感功能，可以实现高灵敏度的多参量测量。不同于普通光纤SPR传感的纤芯模式激发，螺旋芯光纤SPR传感器采用在包层中传输的回音廊模式（WGM）激发，其传感灵敏度可以比普通光纤SPR传感器高一个数量级，并且可以通过螺旋纤芯螺距大小来灵活调节谐振波长位置和灵敏度大小。此外，还可以通过增加螺旋纤芯的数量来实现多通道SPR传感，实现对传感维度的“扩容”。因此，这种基于螺旋芯光纤的SPR传感器在微流、分布式、网络化集成传感应用领域都具有十分潜在的应用价值。基于热融扭转加工技术，我们还提出了一种基于螺旋毛细管光纤的长周期光纤光栅传感器，由于应变和温度变化对螺距响应敏感，因此可实现高灵敏度应变和温度传感，在恶劣环境监测方面具有十分潜在的应用价值。此外，我们也研制了基于毛细管光纤的法布里-珀罗光纤传感器以及基于塑料光纤和无芯光纤的光传感器件，这些传感器结构简单，易于制备，为光纤传感提供了一种低成本解决方案。.基于“螺旋”、“多芯”等光纤设计思想，我们还进一步开展了多种特种微结构光纤的研究，例如可实现艾里光束生成的艾里光纤、可实现三阶涡旋光场的三角芯涡旋场光纤、可生成涡旋光及环形场的同轴双波导光纤、可实现微粒操纵的螺旋多芯光纤等。通过对这些光纤的设计与开发，不但可以构造光纤内部/外部的纤维集成光波器件，还对实现光纤内部/外部的光信息处理、信息交换有着十分重要的意义。