摘要
科技发展带动了光纤技术不断进步，光纤传感器的研究也越发受到重视。相较于其他类型传感器，光纤传感器具有灵敏度高、体积小、集成度高等优点，在前沿科技、生物检测等领域有着广泛的应用前景。本论文基于前人的研究背景，制备了基于微纳光纤的高性能光纤传感器，分别开展了基于二模微纳光纤（TaperedTwoModeFiber，TTMF）的生物矿化监测传感器、基于磁性聚二甲基硅氧烷微球（MagnetorheologicalPolydimethylsiloxane，M-PDMS）的光纤磁场传感器以及基于PDMS集成二模微纳光纤的可穿戴形状传感器研究。研究内容如下： （1）基于二模微纳光纤的生物矿化监测传感器。借助TTMF的强倏逝场效应对D.acidovorans细菌“点水成金”过程实时监测。提出一种单模光纤-二模光纤-单模光纤（singlemode-twomode-singlemodefiber，STS）的光纤干涉仪结构，基于HE11和HE12模之间的模式干涉，通过干涉光谱的变化（波长、强度），实现D.acidovorans细菌矿化过程的实时监测。为增强D.acidovorans细菌与裸TTMF的结合效率，对TTMF进行表面功能化处理。利用硅烷偶联剂（(3-aminopropyl)triethoxysilane，APTES）对TTMF进行预处理，之后将D.acidovorans细菌转移至TTMF外表面。为保证结构测试的稳定性，设计特殊的PDMS微流控样品槽，将STS结构集成在槽内，提高测试结果的准确性。当D.acidovorans细菌与测试环境中的水溶性金离子作用，改变光纤表面倏势场，引起STS输出透射谱发生变化，通过追踪透射光谱波谷（dip）点处的波长漂移量，实现对生物矿化的检测。实验结果表明：D.acidovorans细菌浓度为30μM和100μMAu3+时，对应的光谱漂移量分别为～8.4nm和4.8nm。 （2）基于磁性聚二甲基硅氧烷微球的光纤磁场传感。借助自组装方法制备M-PDMS微球，同时结合微纳光纤进行传输光场的耦合，激发回音壁共振模式（WhisperingGalleryMode，WGM），改变环境磁场强度，实时监测WGM光谱变化，实现磁场传感。M-PDMS微球的制备，将尺寸均匀的Mn3O4纳米晶体混入PDMS基体中，利用微纳光纤与PDMS基体结合并在锥腰区域获得微球链，形成PDMS微谐振器。实验结果表明，在1310nm附近形成高Q值WGM光谱，Q=104。由于磁致伸缩效应，外加磁场的变化会引起PDMS微谐振器的机械变形，引起共振波长的偏移，实现微小磁场的高灵敏检测。 （3）基于PDMS集成化TTMF的可穿戴形状传感器。利用TTMF结构的强倏势场特性以及PDMS柔性材料较大的热光系数，将PDMS与TTMF结合，实现温度、拉伸以及弯曲的高灵敏响应，灵敏度分别为1.4nm/℃、20.6nm/mm以及1.34nm/m-1。该传感器可用于监测人体呼吸、手臂运动和体温等人体运动过程。
NETL