Ge-Sb-Se硫系玻璃拉锥光纤制备及红外传感研究.pdfVIP

Ge-Sb-Se硫系玻璃拉锥光纤制备及红外传感研究

摘要

光纤倏逝波传感器的研究始于20世纪80年代，相比其它类型的光纤传感器，它具

有灵敏度高、响应速度快、结构简单、易于与其它传感检测技术相结合等优点，现已被广

泛应用于生物医疗、工业污染物、食品检测等领域。近年来，基于低损耗石英光纤倏逝波

传感的研究进一步拓展，应用于对生物、有机溶液、气体等物质的检测。然而，由于石英

光纤工作波长局限于2.3μm以内，无法对中红外波段光进行传输，难以应用于中红外领

域传感检测。随着氟化物光纤、硫系光纤和卤化物晶体光纤等特种红外光纤制备技术的进

步，研究者开始探索各种红外光纤在中远红外传感应用。

硫系玻璃光纤因其具有超宽的红外透过范围优点，可以作为传感媒介应用于废水污染

物和液体监测以及生物医学检测等传感领域，但其传感灵敏度有限，如何进一步提升硫系

光纤传感灵敏度成为研究热点之一。本文在文献深入调研的基础上，开展了基于环境友好

型Ge-Sb-Se拉锥硫系光纤制备及传感特性研究，本论文的主要研究内容及取得的创新结果

如下：

（1）开展了拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤对乙醇溶液浓度检测的研究。拉制出直径为

500μm、在6.0μm波长下损耗为1.68dB/m的Ge15Sb20Se65硫系光纤，利用自行搭建的自

动光纤拉锥平台拉制了锥腰直径分别为20、110、245μm的拉锥光纤，并对不同浓度的乙

醇溶液进行了光谱分析检测实验。结果表明：检测灵敏度随着拉锥光纤锥腰直径减小而增

加，其中锥腰直径为20μm的拉锥光纤对乙醇溶液检测的灵敏度为1.12，可检测最低液体

体积分数为1.0％，实验结果与数值仿真相一致。

（2）理论仿真结合实验研究，系统地开展了不同几何参数的拉锥Ge15Sb20Se65硫系光

纤对乙醇溶液浓度检测的研究。利用熔融拉锥法拉制了锥区长度分别为11.53、13.84、

15.94mm的拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤，并分别应用于乙醇溶液浓度检测。实验结果表

明：检测灵敏度随拉锥光纤锥区长度增大而增加，其中锥区长度为15.94mm的拉锥光纤

对乙醇溶液检测的灵敏度是锥区长度为11.53mm的拉锥光纤的3倍以上。拉锥

Ge15Sb20Se65硫系光纤的传感灵敏度与锥区长度成正比，实验结果与仿真结果吻合。

（3）探索并实现了掺杂铂纳米金属粒子的氧化石墨烯涂覆拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤

对乙醇溶液浓度检测灵敏度提升的研究。铂纳米金属粒子/氧化石墨烯涂层可以增强吸附，

使乙醇分子富集于涂层。基于电荷转移引起折射率变化的原理，铂纳米金属粒子作为光催

化剂可以促使电荷转移到氧化石墨烯层，从而增强拉锥光纤的倏逝场强度。实验结果表

明，氧化石墨烯涂覆层可有效地沉积在光纤锥区表面，且涂覆时间的增加可以提高传感灵

敏度。掺杂光催化剂铂纳米金属粒子可以极大地增强传感灵敏性，浓度为160mg/L的铂纳

米金属粒子/氧化石墨烯溶液涂覆拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤检测乙醇的传感灵敏度，是氧

化石墨烯涂覆拉锥光纤的2.43倍，是未涂覆拉锥光纤的7倍。同时理论仿真了仅氧化石墨

烯和掺杂铂纳米金属粒子的氧化石墨烯涂覆拉锥光纤对乙醇溶液的倏逝波传感，验证了实

验结果。研究证明了铂纳米金属粒子/氧化石墨烯纳米复合材料功能化的拉锥Ge15Sb20Se65

硫系光纤对乙醇溶液检测的传感灵敏度提升的可行性。

本研究工作为今后推进高传感灵敏度硫系拉锥光纤传感器的实用化发展提供了科学数

据和技术参考。

关键词：硫系玻璃，倏逝波传感，玻璃提纯，拉锥光纤，氧化石墨烯，铂

ResearchonFabricationandSensingCharacteristicsof

Ge-Sb-SeChalcogenideGlassTaperedFiber

Abstract

Theresearchofopticalfiberevanescentwavesensorwasbeganinthe1980s.C