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我院马任德博士在光纤传感领域取得系列进展

发布时间:2020-04-26文章来源: 浏览次数:

光纤传感器具有结构紧凑灵活、传感元件尺寸小、分布式传感、原位测量等优点,在航空航天、矿产开采、民用基础建设、交通运输、环境科学、生物医学等领域具有广泛的应用。我院新建光纤传感实验室,经过3年多的发展,建立起完备的研究条件。目前,在光纤干涉仪的设计与解调、基于新型纳米材料的光纤偏振调制器与传感器设计方面,取得一系列研究进展。近3年发表论文10余篇,申报发明专利6项。

1)在干涉仪设计与解调方面的研究进展

利用宽带光纤准直器对超连续谱光源的出射光准直扩束,然后用透明膜片对宽带平行光分波前,构造出可见度高、稳定性好、插入损耗低的干涉条纹。用于折射率测量时,该分波前光纤MZI不仅灵敏度高,而且鲁棒性好,可以重复利用(IEEE J. Lightwave. Technol., 2019, 37: 4216-4221, SCI二区TOP)。经过进一步改进后,折射率测量精度有望达到10-8,处于国际先进水平。(报道网址:https://ieeexplore.ieee.org/document/8734708

研制基于拐点检索进行相位解包裹的波长扫描激光测距仪(Opt. Commun., 2018, 410: 292-296, SCI三区)。利用正弦信号调制DFB激光器的光波长,干涉信号由光电探测器采集,经数据采集卡AD转换后,由计算机处理。根据干涉信号编程构造正交信号,利用正交解调算法,实现对距离(相位)的快速测量。已经获授权发明专利两项,可广泛用于检测物理、化学、生物量。(报道网址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030401817309379?via%3Dihub

2)在光纤偏振调制器与传感器设计方面的研究进展

将微纳光纤浸入磁流体,并沿垂直于光纤方向施加调制磁场,设计出可调光纤偏振器(Appl. Phys. Lett., 2017, 111(9): 093503, SCI二区TOP)(报道网址:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4985114),实现对光偏振度、偏振方向的任意调制。由于微纳光纤的鲁棒性较差,操作难度大,我们研究基于D形光纤与磁流体的可调偏振器(Chin. Opt. Lett., 2020, 18(1): 010601, SCI三区)。将D形光纤浸入磁流体后,施加平行于D形光纤抛光表面的磁场,设计出一种鲁棒性好的可调光纤偏振器(报道网址:http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJece9ae3a9cb66dad)。这两项成果都证明,磁流体的磁光二向色性在光纤偏振调制中起关键作用。

微纳光纤偏振调制原理图_副本   D形光纤偏振调制_副本

反之,将微纳光纤浸入磁流体,基于光偏振态的检测,还可实现对矢量磁场的实时测量(IEEE J. Lightwave. Technol., 2018, 36(9): 1620-1625, SCI二区TOP),该磁场传感器具有响应速度快的优点。研究发现,待测磁场存在一个诱导磁性纳米颗粒产生自排列的阈值。若磁场强度大于该阈值,磁流体的磁光二向色性对微纳光纤的偏振调制具有非常长的时间响应。所以,该传感器只能测量小于检测阈值的变化磁场。(报道网址:https://ieeexplore.ieee.org/document/8226752

 偏振调制阈值

生物分子能够诱导功能化磁性纳米颗粒自组装,形成体积较大的团簇,当施加或去除外部磁场时,磁流体对微纳光纤的偏振调制时间响应将发生改变。根据这种特性,我们设计一种生物传感器Appl. Phys. Lett., 2018, 113(3): 033702, SCI二区TOP。虽然受限于消光比测试精度,生物检测极限仅为3 ng/ml,但是无需对微纳光纤表面进行功能化,可极大降低实验操作难度,有利于光纤生物传感器的临床应用。(报道网址:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5037522

 

生物传感

此外,还在各类会议作了多次学术报告或张贴海报,例如:亚洲通信与光子学国际会议、2018年全国光机电技术及系统学术会议、2019年中国光学学会学术大会。尤其受邀参加18th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN 2019),并作题为《Fiber polarization modulation based on magnetic fluid》的邀请报告。

随着新型冠状病毒(COVID-19)在全世界的爆发,高精度生物传感器在国内外受到空前关注,具有重大现实需求。在接下来的工作中,我们拟研究利用纳米材料增敏与阶梯光栅超灵敏检测的光纤生物传感器,预期实现对痕量生物信息的检测。

以上介绍的期刊论文受到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助,均以我院为第一通讯单位发表。

关闭 打印责任编辑:易文才

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