The optical fibers, coated with plasmonic active metal films, represent the simple and unpretentious sensors, potentially useful for measurements of physical or chemical quantities and wide range of analytical application. All fiber-based plasmonic sensors operate on the same physical principle based on changes in the position of the plasmon absorption peak induced by a variation of surrounding medium refractive index. However, the observed spectral differences are often weak, and thus an enhancement of sensor sensitivity is strongly required. In this paper, we propose the immobilization of gold nanoparticles with sharp edges on the thin gold layer, deposited on the multimode fiber surface for improvement of the sensor functionality. The morphological and compositional changes in the gold covered fiber surface were determined by using the atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and energy-dispersive X-ray spectroscopy methods. As a result of gold nanoparticles immobilization, the pronounced plasmon energy concentration near the fiber surface occurred, thus enhancing the response of the proposed hybrid plasmonic system to the variation of ambient refractive index. The position of plasmon absorption in the case of the created plasmonic structure was shown to be more sensitive to the changes in the surrounding medium in comparison with the standard sensors based on the bare gold layer.

奇异点是非厄米系统参数空间中至少两个本征值和相应本征态同时简并的点,奇异点附近的异常光学现象,尤其是本征频率分裂对极小微扰的敏感特性,在超灵敏光学传感中有重要应用。本文主要结合近几年国内外关于奇异点的研究,介绍了奇异点及其在光学传感方面的相关理论,分析了奇异点传感和狄拉克点传感的不同;并着重总结奇异点传感在纳米颗粒检测、温度传感、折射率传感、光学陀螺仪和石墨烯生物化学传感等方面的最新研究进展。

高灵敏度、快速响应的光纤氢气传感技术是未来氢气传感技术的发展方向, 对保障氢能系统安全具有重要意义。针对纳米尺度的钯基氢敏材料难以与光器件耦合的问题, 本文采用水相合成及离心沉积方法制备具有快速氢气响应特性的Au-Pd核壳纳米颗粒膜, 搭建了含有Au-Pd核壳纳米颗粒氢敏膜阵列的透射式传感系统, 实现了光信号与多层纳米颗粒膜阵列的耦合, 通过提高敏感材料对光信号的调制能力增强了传感器的灵敏度。实验研究表明, 本文制备的Au-Pd核壳纳米颗粒膜粒径为48 nm, Pd层厚度约为4 nm。该敏感薄膜对4%浓度氢气的响应时间小于3 s, 且在循环测试中显示了良好的重复性和稳定性。通过3片薄膜阵列传感, 在不影响传感器响应速度的同时将传感器灵敏度提升至最高, 为单片膜的2.7倍。该研究为开发高性能光纤氢气传感器提供了重要指导。

分别以铜、铝、有机玻璃、聚四氟乙烯为实验衬底材料, 对采用片式粘敷封装技术的光纤布拉格光栅温度传感增敏特性进行了实验研究。研究结果表明, 当对两侧尾纤有涂覆层的光纤布拉格光栅进行封装时, 其温度灵敏系数分别是裸纤情况下的2.3倍、2.9倍、5.2倍、11.7倍。然而, 粘敷材料在较高温度时显著的热膨胀会引起光纤包层与涂覆层发生一定的脱离, 导致此时其实验结果重复性不甚理想。为了克服这种不利情况, 对尾纤无涂覆层的光纤布拉格光栅进行了封装测试。在测试温度范围内, 其反射波长随温度的变化始终呈现良好的线性关系, 其温度灵敏系数分别提高到了3倍、3.4倍、9.2倍、12.6倍, 测量结果重复性良好。研究结果为将来片式封装光纤布拉格光栅传感器的温度增敏特性的研究, 提供了必要有益的数据支持和参考。

为研究声压传递函数的谐振频率对分布反馈式光纤激光水听器频响特性的影响,研制一种聚氨酯端面拉伸式增敏结构的光纤激光水听器。基于电声类比理论建立了声压传递函数模型,仿真分析水听器各结构、材料参数与水听器声压传递函数的关系,制作水听器原型样品并进行了实验研究。实验测得,该结构水听器在10~2000 Hz 频率范围内的平均声压灵敏度为-142.8 dB,波动幅度小于±1.5 dB,且谐振频率出现在3150 Hz附近,与仿真分析结果吻合较好,表明光纤激光水听器的声压灵敏度频响特性可有效预测以及精细优化,这对于应用于小型水下作战平台的小尺寸阵元的研制具有重要指导意义。

提出一种基于四波混频效应的双波长光纤激光器传感器增敏方法,以提高基于保偏光纤光栅的双波长激光器传感器的灵敏度。双波长输出的波长间隔对温度、应力等外界待测量有很好的传感响应。利用四波混频效应可扩大此波长间隔。本实验中,使用3阶四波混频效应增敏方案可实现传统保偏光纤光栅激光器传感器温度灵敏度自-0.62 pm/℃至-4.32 pm/℃的提升,增敏近7倍。

提出一种采用TiO₂膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO₂薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合特性及其性能。结果表明,在待测介质折射率为1.33~1.38时,待测介质折射率与传感器的共振波长呈线性关系,线性相关度为0.9806,传感器的平均灵敏度为4200 nm·RIU ^-1。此外,进一步分析了光子晶体光纤空气孔大小、银膜厚度、TiO₂厚度等参数对传感器性能的影响。结果表明,改变结构参数可以优化生物传感器的输出光谱、改善传感器的性能。

光纤激光水听器的频率响应曲线会在声压传递函数的谐振频率处出现谐振峰，使水听器的工作频带变窄。研制了一种金属膜片端面增敏结构的分布反馈式(DFB)光纤激光水听器。基于电声类比理论，建立了DFB光纤激光水听器的声压传递函数模型，仿真分析了水听器各结构参数对水听器声压传递函数的影响，实现了水听器结构的优化设计，加工制作了水听器原型样品并进行了实验研究。由实验结果可知，DFB光纤激光水听器在2.5~10 kHz 频率范围内的平均声压灵敏度为-135.99 dB，波动幅度小于±0.6 dB，且在16 kHz附近出现谐振峰，实验结果与仿真分析结果较好地吻合。该研究对DFB光纤激光水听器的研制具有重要指导意义。

为减小分布反馈式（DFB）光纤激光器在水声探测时的扰动，设计了一种双膜片式封装结构的光纤激光水听器。该结构通过膜片增大声压作用面积，并转化为激光器的轴向应变以实现增敏。利用有限元软件ANSYS对该结构进行了仿真分析，加工制作了双膜片式结构封装的DFB光纤激光水听器原型样品，并对其进行了水声实验研究。实验测得，研制的双膜片端面增敏结构的DFB光纤激光水听器在2.5~10 kHz的平均声压灵敏度为-136.9 dB，波动幅度不高于±0.5 dB，水听器的工作频带向高频得到了有效拓宽，使其能很好地满足舷侧阵的工程化应用要求。