为了解决单一金属膜结构的光纤表面等离子体共振（SPR）盐度传感器结构不稳定且灵敏度较低的问题，设计了一种高灵敏度的锥形三芯光纤结构的SPR盐度传感器。以银膜为激发表面等离子体共振的金属层，在其表面涂覆高纯铟以增强其稳定性。通过Kretschmann四层结构模型对传感器进行理论分析，结果表明，在光纤锥区纤芯模和包层模之间会出现强烈的模式耦合，在覆膜区会激发明显的等离子体共振。对涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器进行折射率性能测试，在1.4%~3.6%的盐度变化范围内，涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器灵敏度高达4989.34 nm/RIU，对应的盐度灵敏度为9.1 nm/%，比仅涂覆银膜的SPR传感器灵敏度提高了44%。

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性, 提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。 利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪, 再在FMF上刻制FBG, 通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。 首先分析了组合传感器的传感原理, 由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变, 从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动, 因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量, 实现对待测参数的测量。 然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响, FMF越长, 干涉光谱越明显, 自由光谱范围FSR越小, 为了便于观测组合传感器的整体光谱, 最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。 实验所用FMF可稳定传输LP01, LP11, LP21和LP02四种模式, 通过对比分析不同模式间的干涉和耦合, 确定此组合传感器的干涉光谱是由LP01-LP11干涉形成, FBG透射谱是由LP02-LP02, LP11-LP11, LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。 最后进行温度和折射率的传感实验, 结果表明, 随着外界温度的升高, SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移, 而FBG透射谱发生红移, 其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃-1, 线性度良好; 将FMF包层直径腐蚀至22 μm, 在1.366~1.455的折射率变化范围内, 组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动, 灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU-1。 该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化, 提高了检测准确度, 减小测量过程中出现的偶然误差, 结构简单新颖、 灵敏度高、 易于制备, 且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性, 使得传感变得更加灵活方便。

设计了一种分离型光纤传感增敏结构,并联连接两个腔长相近的法布里-珀罗(F-P)腔。理论分析了此结构的增敏原理并制备了两组增敏结构。实验结果表明,增敏结构的压强灵敏度值由单F-P结构的4.85 nm/MPa提高到43.95 nm/MPa,温度灵敏度由单F-P腔的0.0675 nm/℃提高至0.40364 nm/℃,在相同温度下采用双腔结构可消除温度交叉敏感对测量结果的影响。此结构克服了集成式增敏结构的缺陷,在不影响原传感器结构的情况下提高了灵敏度,且可通过更换辅助腔来调节灵敏度,具有移植性好和交叉敏感小等优势。

针对长周期光纤光栅用作折射率传感器时对低浓度溶液不敏感的问题,提出了一种纳米膜修饰的光栅生物传感器,实现了抗原生物分子的低浓度测量。实验结果表明,经薄膜修饰后的光栅传感器,对低浓度的抗原溶液探测的灵敏度有了显著提高。当羊抗兔IgG浓度(质量浓度)为固定值0.01 mg·mL ^-1时,随着兔IgG浓度的增加,覆膜长周期光纤光栅峰值损耗响应明显。实验测得周期为445,460,500 μm的生物传感器对应的浓度灵敏度分别为2101.5,1306.5,575.9 dB·mg ^-1·mL。待测抗原浓度仅与光栅峰值损耗有关,实验测得兔IgG最小浓度为0.0003125 mg·mL ^-1。该传感器灵敏度高、无需标记、稳定性强,且结构简单不易受电磁干扰,在生物传感领域拥有广阔的应用前景。

设计了一套带状光纤阵列光栅的刻写系统，仅利用单一相位模板，就能实现单层带纤上8 个不同谐振波长阵列光栅的刻写。借助图像处理的手段，采集刻栅过程中光纤位移的动态图像，以图像中对应像素点的移动情况为检测对象，对光纤滑动现象进行分析，从而掌握光纤滑动规律。为抵抗光纤滑动的影响，自行设计了专用带纤夹具，并对夹持面的材料和结构进行多次改进，实验结果表明，宏弯结构夹持面既能夹持和固定带纤，又能保证带纤涂覆层完整。本研究实现了3 dB 带宽0.2 nm、波长间隔0.5 nm、波长偏差小于±0.05 nm、反射率达80%以上的阵列布拉格光纤光栅的刻写。

设计了一种新型阵列光纤光栅的刻写系统，实现了8芯带状光纤上不同波长阵列光纤光栅的刻写。其基本原理如下：利用专门设计的带纤夹具夹持带纤，采用电控位移平台对带纤整体施加拉力来调节波长，逐根曝光，并采用扫描写入的方法进行汉明切趾。利用以上系统，实现了3 dB带宽为0.2 nm、波长间隔为0.5 nm、波长偏差小于±0.05 nm、反射率为80%~85%的阵列布拉格光纤光栅刻写。此工艺自动化程度高，光栅参数灵活可调。

为了实现一次性在八芯带纤上不同波长阵列光纤光栅刻写, 采用专门设计的带纤夹具夹持光纤, 使用电控位移平台对带状光纤整体施加拉力, 利用相位掩膜工艺对光纤逐根曝光, 采用扫描写入的方法进行汉明切趾, 仅用单一相位模板就实现了八芯带纤上不同波长阵列布喇格光纤光栅刻写。刻栅过程由电脑编程控制, 中心波长、波长间隔以及切趾方式可以灵活调整。结果表明, 获得的光栅其3dB带宽为0.2nm、波长间隔为0.5nm、波长偏差小于±50pm、反射率达到80%~85%。此种带状光纤多波长阵列光栅刻写工艺是完全可行的。

设计了一种带状光纤上阵列光纤光栅刻写系统,仅利用一块相位掩模板,即实现8芯带纤上阵列光纤布拉格光栅的刻写。使用自行设计的带纤夹具夹持带纤,电控位移平台对带纤整体施加拉伸力,采用相位掩模工艺对光纤逐根曝光,并同时以扫描写入的方法进行汉明切趾。刻栅过程由电脑编程控制,中心波长、波长间隔以及切趾方式可以灵活调整。测试结果表明,刻写完成的阵列光纤布拉格光栅3 dB带宽为0.2 nm、波长间隔为0.5 nm、波长偏差小于±50 pm、反射率达到80%~85%。

采用自行研制的高强脉冲电场设备, 利用拉曼光谱分析脉冲电场对大豆分离蛋白微观结构的影响. 结果表明, 在50 kV·cm-1的高强脉冲场强下, PEF诱导2 886 cm-1附近峰明显消失, 脂肪族侧链C—H伸缩振动微环境极性和色氨酸残基微环境极性不断增强; 诱使C—H平面弯曲振动、 C—N伸缩振动, 以及天冬氨酸和谷氨酸中的CO伸缩振动减弱; 诱导酰胺键CO伸缩振动和N—H摇摆振动增强. 同时发现酪氨酸被包埋程度随着脉冲时间的延长而先增加后减小, 在脉冲处理时间为1 600 μs 时, 酪氨酸包埋程度最大.

采用自行研制的脉冲电场设备, 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)比较研究了脉冲电场(PEF)和热处理对大豆分离蛋白(SPI)分子结构的影响。 结果表明: 50 kV·cm-1的脉冲场强处理引起SPI分子内和分子间氢键增强, 分子中C—O—O糖苷键伸缩振动和PO, P—O—C伸缩振动增强, 且其增加值与PEF处理时间呈正相关。 研究发现较短时间(1 600 μs)PEF处理导致了SPI分子结构中α-螺旋和β-折叠分别减少了5.9%和0.7%, β-转角和侧链结构分别增加了7.5%和9.6%； 处理时间延长至2 400 μs, 其α-螺旋和β-折叠减少量增至6.0%和5.6%。 对比而言, 热处理对SPI分子结构中C—O—O糖苷键伸缩振动和PO, P—O—C伸缩振动的影响程度较大, 而对蛋白质二级结构影响程度较小: 90 ℃热处理30 min, α-螺旋和β-折叠分别减小5.1%和6.6%, β-转角结构增加19.1%。 由此可以认为PEF和热处理对SPI的影响机理是不一样的。