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基于光敏聚合物的长周期微纳光纤光栅传感研究

摘要

传感器的性能取决于其信号载体及结构，经过几十年的发展，长周期光纤光栅

Long-PeriodFiberGratingLPFG

（，）已经成为传感器的重要组成部分，具有体积小、制

作工艺成熟、灵敏度高、无后向反射、以及损耗小等优点，在生活生产和科技发展等领

域都展现出良好的应用前景。LPFG传感器的发展主要体现在高灵敏度、微型化和低成

本等方面。虽然在LPFG的研究上已经完成了大量的工作，但设计不同结构和制作工艺

的优异LPFG传感器件，仍是传感领域的重要研究目标之一。微加工技术和材料的发展

为LPFG传感器设计提供了良好的基础和发展思路。

使用三维微加工调节架操纵悬挂光敏聚合物的载体，将光敏聚合物以匀速轴向刷涂

过光洁的微纳光纤锥腰区。根据Plateau-Rayleigh不稳定性效应，微纳光纤表面的液体

薄膜会快速地自发分裂成一系列光敏聚合物点，形成包层扰动结构，获得一种基于光敏

聚合物的微纳光纤LPFG。这种LPFG的光栅参数灵活性强，通过仿真实现光栅参数的

优化。包层扰动结构属于强折射率调制结构，其光栅结构紧凑。利用微纳光纤的强倏逝

场特性和包层调制结构的强耦合特性，制成的LPFG具有高折射率传感灵敏度。将LPFG

与敏感材料相结合，完成湿度和温度的传感实验，该类型的传感器件应用广泛。

通过模拟仿真，验证本文提出的LPFG的可行性，对比分析不同的栅格参数下，LPFG

的透射谱输出和折射率传感结果，这些栅格参数包括微纳光纤直径、光栅周期、光敏聚

合物点的高度和折射率等。研究Plateau-Rayleigh不稳定效应，在不同直径的微纳光纤

表面完成基于光敏聚合物的刷涂实验。结合仿真优化的结果和刷涂对比实验的结果，制

作LPFG样品，完成折射率传感实验，折射率灵敏度最大为10419nm/RIU，并对其重复

性、温度串扰和时间稳定性做相关实验和分析。将湿敏材料包覆在LPFG表面，监测其

湿度传感响应；使用可固化温敏材料替换掉光敏聚合物，结合逐点点涂的制作工艺，制

作样品并监测其温度传感响应。本文提出的LPFG具备高灵敏度、小尺寸、传感应用广

泛、制作方法灵活性高、生产快等优点，在环境检测、生物化学研究、食品安全等领域

都有应用和进步前景。

关键词：长周期微纳光纤光栅；折射率传感；Plateau-Rayleigh不稳定效应；光敏聚合物

基于光敏聚合物的长周期微纳光纤光栅传感研究

Abstract

Theperformanceofthesensordependsonitssignalcarrierandstructure.Afterdecades

ofdevelopment,long-periodfibergrating(LPFG)hasbecomeanimportantpartofthesensor,

withtheadvantagesofsmallsize,matureproductionprocess,highsensitivity,nobackward

reflection,andlowloss.LPFGshowsagoodapplicationprospectinlife,productionand

technology.ThedevelopmentofLPFGsensorsismainlyreflectedintheareasofhigh

sensitivity,miniaturization,andlowcost.Althoughagreatdealofworkhasbeendoneon

LPFGresearch,thedesignofexcellentLPFGswithdifferentstructuresandfabrication

methodsisstilloneoftheimportantresearchgoalsinthefieldofsensing.Thedevelopment

ofmicrofabricationtechniquesan