【摘要】：表面等離子體共振光學(xué)現(xiàn)象在分析生物材料和環(huán)境檢測方面有著廣泛的應(yīng)用。SPR傳感平臺通常是基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的,由高導(dǎo)電金屬(常見的是金或者銀)薄層覆蓋在棱鏡表面組成。相比于空間棱鏡結(jié)構(gòu)的SPR傳感設(shè)備需要流體處理系統(tǒng)給傳感探頭送樣,光纖SPR傳感探針具有小型化,可以直接浸泡在待測溶液中的優(yōu)點。但光纖SPR傳感器尚未商業(yè)化,存在靈敏度低、共振入射角度調(diào)節(jié)困難、實現(xiàn)多通道測量困難等問題。本論文利用將光路和光器件集成至單根光纖中,形成一系列新型、微型、特種光器件的纖維集成光學(xué)核心思想,開展多芯光纖SPR傳感器探索,圍繞單模光纖SPR提高靈敏度,利用研磨技術(shù)調(diào)節(jié)動態(tài)范圍,多芯光纖SPR波分時分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多通道測量等亟待解決的光纖SPR問題進行研究:1.制作多模光纖SPR探針,搭建光纖SPR實驗測試系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)多模光纖中的入射光角度不易受控制,共振曲線相當(dāng)于多個角度激發(fā)的共振曲線疊加而成,影響傳感器的靈敏度和精度。進行了單模錐角結(jié)構(gòu)SPR探針驗證性實驗,首次提出一種實用型單模光纖SPR傳感器——單模光纖錐角結(jié)構(gòu)SPR傳感器,大幅提高光纖SPR傳感器靈敏度。通過改變研磨角度調(diào)節(jié)SPR光源入射角,從而調(diào)節(jié)光纖SPR傳感器的靈敏度與動態(tài)范圍規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,提出雙芯光纖端面反射式SPR傳感探針,并將此傳感器與微流芯片復(fù)合,實現(xiàn)對微流通道中流動液體折射率的實時監(jiān)測。制作的光纖SPR傳感器靈敏度達5213nm/RIU。2.光纖SPR波分復(fù)用技術(shù)研究。(1)透射式:提出基于偏芯光纖的分布式級聯(lián)SPR傳感器。兩級研磨角度分別為9°和17°時,該系統(tǒng)在折射率1.333-1.385范圍內(nèi),平均靈敏度分別達2826nm/RIU和4738nm/RIU。(2)反射式:提出雙芯光纖錐形反射分布式SPR傳感器。將錐尖兩傳感斜面研磨成不同的角度,形成反射分布式光纖SPR傳感器。將其復(fù)合封裝在針頭中可方便的插入血管,進行活體在線監(jiān)測。用彈性微流控材料PDMS制作了模擬血管及血管外組織的微流控器件,進行模擬測試。3.首次提出多芯光纖利用時分復(fù)用技術(shù)的多通道SPR傳感器。(1)透射式光纖SPR時分復(fù)用技術(shù):多芯光纖的每個纖芯作為一個傳感區(qū)域,通過分別對每個纖芯的注光,實現(xiàn)每個纖芯對應(yīng)傳感區(qū)的獨立多通道傳感。(2)反射式光纖SPR時分復(fù)用技術(shù):在七芯光纖端面通過光纖研磨技術(shù)將多芯光纖加工成對稱的三對錐角結(jié)構(gòu),從而形成三通道反射式多通道SPR傳感器。4.光纖SPR多通道混合技術(shù)研究。(1)首次提出并制作雙芯光纖四通道SPR傳感器,雙芯光纖利用時分復(fù)用技術(shù)(并聯(lián))分成兩路,然后在每路上利用波分復(fù)用技術(shù)(串聯(lián))實現(xiàn)雙通道。(2)多芯光纖時分復(fù)用技術(shù)多通道光纖SPR傳感器,在接收光纖上再制作一級傳統(tǒng)透射式光纖SPR傳感探針,將波分復(fù)用技術(shù)和時分復(fù)用技術(shù)結(jié)合后,可將多芯光纖的通道數(shù)量增加一倍。(3)深入研究膜厚對光纖SPR靈敏度及動態(tài)范圍的影響,通過將單模光纖錐角結(jié)構(gòu)SPR反射光注入125 μm階躍折射率塑料包層光纖,并在塑料包層光纖上制作透射式光纖SPR傳感器,實現(xiàn)光纖SPR分布式傳感器,兩級SPR傳感器分別通過研磨角度和鍍制膜厚改變即可連續(xù)調(diào)節(jié)SPR動態(tài)范圍,克服了分布式光纖SPR傳感器難于在有限波長檢測范圍內(nèi)產(chǎn)生兩個易于區(qū)分的共振谷的難題。綜上所述,本課題提出實用的單模光纖SPR探針,有效提高了光纖SPR靈敏度;對光纖SPR波分復(fù)用與時分復(fù)用技術(shù)進行研究,首次提出多芯光纖實現(xiàn)SPR波分與時分復(fù)用方案并進行驗證,推進光纖SPR多通道實用技術(shù)的發(fā)展;首次進行混合技術(shù)的光纖SPR多通道技術(shù)研究;利用PDMS制作微流芯片與多芯光纖SPR探針復(fù)合進行模擬血管測試。纖維集成SPR傳感器可在單根光纖上集成多個SPR傳感器,有效解決光纖SPR傳感器靈敏度低、共振入射角度調(diào)節(jié)困難、實現(xiàn)多通道測量困難等問題。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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