基于智能手机的光纤光谱仪及其传感应用

摘要

智能手机的普及和人们对于健康、环境的关注和高效生活的追求，推动了大量基于智能手机的研究成果的发表，甚至是商用产品的出现。本文提出了一种智能手机光纤光谱仪的方案，利用细芯光纤作为入射光纤，得到的波长分辨率在可见光范围内高达0.5nm。该光谱仪所有的光学元件都封装在了一个60mm*42mm*17mm的3D打印技术制作的外壳里面，具有结构紧凑、便捷灵活以及成本低廉的特点。
　　本文还介绍了细芯光纤多模干涉仪的传感理论，分析了其温度、压力和折射率传感的原理，并使用软件建立了仿真模型，针对可见光波段的透射光谱进行了优化。在实验阶段，采用实时光谱测量的湿法腐蚀装置制作了性能增强的细芯光纤多模干涉仪，分别使用提出的智能手机光纤光谱仪和商用的光谱仪对其进行了折射率传感实验，得出在折射率高于1.4时具有较高的灵敏度。两者的测量结果具有较高的一致性，说明了基于智能手机的折射率传感器的可行性。最后，我们将上述传感器集成到了微流控芯片中，介绍了微流控芯片的制作方法和传感器的封装过程，从而可以进一步扩展到生物和化学传感等应用中。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 智能手机光谱仪的发展概况

1．3 可见光光纤传感器的发展概况

1．4 本文的主要内容及创新点

1．4．1 本文的主要研究内容

1．4．2 本文的主要创新点

2 智能手机光纤光谱仪原理及设计

2．1 光栅色散原理

2．1．1 透射式平面衍射光栅的色散原理

2．1．2 透射式平面衍射光栅的特性

2．2 光纤光谱仪的基本特性

2．3 基于智能手机光纤光谱仪的设计

2．3．1 结构设计

2．3．2 性能分析

2．3．3 光学元件的封装

2．3．3 波长定标

2．4 本章小结

3 细芯光纤多模干涉仪(TCFMMI)的传感原理

3．1 引言

3．2 细芯光纤多模干涉仪的理论分析

3．2．1 光纤中的场分布

3．2．2 耦合系数

3．2．3 输出功率

3．2．4 传感特性

3．3 仿真分析和优化

3．3．1 多模光纤长度的分析

3．3．2 多模光纤纤芯直径的分析

3．3．3 多模光纤的腐蚀

3．4 本章小结

4 基于智能手机光纤光谱仪的折射率传感器

4．1 引言

4．2 TCFMMI传感器制备

4．3 折射率传感实验

4．4 微流控芯片集成的折射率传感器

4．4．1 微流控芯片的制备

4．4．2 传感器的封装及测试

4．5 本章小结

5 总结和展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果