马赫-增德尔干涉型镉离子光纤传感器设计及性能研究.pdf

哈尔滨理工大学电子信息硕士学位论文

马赫-增德尔干涉型镉离子光纤传感器设计及性能研

究

摘要

镉离子（Cd2+）作为常见的重金属离子之一，其在动植物体内长期富集后

被人体摄入，从而造成不可逆的伤害。为了治理日益严重的环境污染问题，对

水体环境的持续监测至关重要。光纤传感器因灵敏度高、耐高温以及抗电磁干

扰等优势而被广泛应用于医学以及重金属离子检测等领域。本文针对水体中重

金属离子污染问题，设计和制备了两种Cd2+检测光纤传感器，实现了水环境中

Cd2+的高灵敏度检测。通过结合离子印迹技术，实现了对溶液中Cd2+的特异性

痕量检测。

首先，设计了一种基于花生-葫芦级联结构的马赫-增德尔干涉光纤传感器，

通过理论仿真分析不同扩束结构、球型直径和多模光纤（Multimodefiber，

MMF）长度对光场分布的影响。扩束区采用花生型结构，由多模光纤和细芯

光纤（Thincorefiber，TCF）组成；传感区采用葫芦型结构，由两段等长的细

芯光纤组成；耦合区也采用葫芦型结构，由细芯光纤和多模光纤组成。对所设

计的马赫-增德尔光纤传感器进行温度和折射率传感实验，实验结果表明，传

感器的温度灵敏度为16.91pm/℃，折射率灵敏度为-357.94nm/RIU。

其次，设计了一种基于三葫芦级联结构的光纤传感器，将花生型结构转变

为由单模光纤（Single-modefiber，SMF）和TCF组成的葫芦型结构，从而形

成三葫芦级联结构。通过理论仿真分析不同葫芦型扩束结构以及葫芦型结构包

层直径对光场分布的影响。该结构在降低传感器长度的同时提高了传感器的折

射率灵敏度。实验结果表明，传感器的温度灵敏度为38.18pm/℃，折射率灵敏

度为798.206nm/RIU，折射率灵敏度相比于花生-葫芦级联结构提升了两倍左右。

最后，将制作的两个传感器与离子印迹聚合物进行结合，实现对溶液中的

Cd2+检测。实验结果表明，花生-葫芦级联光纤传感器的Cd2+检测灵敏度为-

32.05pm/ppm，检测限可达0.0026ppm。三葫芦级联光纤传感器的Cd2+检测灵

敏度为-39.04pm/ppm，检测限可达0.0012ppm。对涂覆特异性识别薄膜的两个

传感器进行特异性、重复性、稳定性、pH以及温度特性研究。特异性实验表

明，传感器对其他离子的响应较小，表明该传感器具有很好的选择性。重复性

-I-

哈尔滨理工大学电子信息硕士学位论文

实验表明，传感器在5次重复测试的灵敏度差距在0.08pm/ppm以下。稳定性

实验表明，当溶液中的Cd2+浓度达到饱和时，传感器透射光谱的干涉峰不再发

生漂移。pH实验表明，传感器在中性环境对Cd2+的响应最大。温度实验表明，

在20-60℃温度范围内，传感器均表现出良好的响应特性。

关键词Cd2+检测；花生-葫芦级联结构；马赫-增德尔干涉；离子印迹；特异性

识别

-II-

哈尔滨理工大学电子信息硕士学位论文

DesignandCharacteristicsofMach-Zehnder

InterferometricCadmiumIonOpticalFiberSensor

Abstract

Asoneofthecommonheavymetalions,cadmiumion(Cd2+)wasingestedby

thehumanbodyafterlong-termenrichmentinplantsandanimals,causing

irreversibledamage.I