双芯D型高灵敏度光子晶体光纤传感器的设计

该文提出了一种双芯D型高灵敏度的表面等离子体共振 光子晶体光纤(SPR PCF)传感器,利用SPR技术,通过纤芯损耗谱测量共振波长的变化来达到测量待测物质不同折射率的目的。通过改变内部空气孔的排列,使之达到双芯传输的效果,同时D型结构有利于加快SPR反应。其工作的波长范围可以调节,且结构简单,易于测量操作。实验结果表明,其折射率测量区间为1.35~1.40,可得最大光谱灵敏度为15 000 nm/RIU,最大幅值灵敏度为582.12 RIU-1,探针折射率精度为1.56×10-5 RIU。     

单芯光子晶体光纤边孔SPR折射率传感特性研究

为了实现高灵敏的表面等离子体共振（SPR）折射率传感,提出一种基于大纤芯的单芯光子晶体光纤SPR传感结构,采用全矢量有限元方法对其传感特性进行了数值仿真和分析。结果表明,该结构具有比较宽的折射率传感范围（1.36~1.55）,同时具有较高的传感灵敏度,平均传感灵敏度达12139nm/RIU;在折射率1.36~1.42区域,线性传感灵敏度为5646.4nm/RIU,线性度为0.9317;而在折射率1.42~1.57区域,传感灵敏度达到15326.8nm/RIU,线性度为0.98738,传感特性出现明显的线性分段情况。该研究结果为实现高灵敏的光子晶体光纤SPR传感器提供了重要的理论依据。     

基于SPR效应的金-PDMS涂覆光子晶体光纤高灵敏度温度测量

通过在光子晶体光纤(PCF)包层外侧填镀金纳米膜及PDMS温敏薄膜,设计了一种基于表面等离子体共振(SPR)效应的高灵敏度温度传感器,具有结构简单、工艺成熟、可逆性好的优点。PDMS的有效折射率会随温度的增加而减小,从而引起纤芯模式的损耗峰向短波方向移动。在完全匹配层边界条件下,利用全矢量有限元法分析SPR-PCF的损耗谱特性,实现了温度的高灵敏度精确快速测量。在22~47℃的温度范围内,所提传感器的温度灵敏度可达到-8.18 nm/℃,这种传感测量方法能拓展应用于各类安全检测和智能监测领域。     

基于侧边抛磨多模光纤的高灵敏度折射率传感器

提出一种可于生物传感的侧边抛磨多模光纤(SPMMF)折射率传感器。针对1.300~1.430折射率范围传感特性,研究了纤芯直径50.0、62.5和105.0μm的多模光纤(MMF)侧边抛磨不同深度时SPMMF折射率传感器的光谱特性和光功率传输特性。结果表明,在1.300~1.430折射率范围内,光纤纤芯直径和剩余半径(抛磨面到纤芯中心的距离)越小,传感器灵敏度越高;纤芯直径为50.0μm、剩余半径为0μm时,可以获得最高达42.23dB/RIU的灵敏度,最小分辨率为2.37×10-5RIU;纤芯直径为105.0μm、剩余半径30μm时,SPMMF折射率传感器仍有10-5 RIU量级的分辨率。     

D型环光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

提出了一种中红外波段宽范围低折射率检测的D型环双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器。该结构为一个D型环,并在其内外表面都沉积一层金属层。采用全矢量有限元方法分析了该传感器的性能。结果表明,该传感器可以在中红外波段实现低折射率传感,并具有高传感灵敏度特性。分析物的折射率可检测范围为120～138,平均波长灵敏度和最大波长灵敏度可分别达到13717nm/RIU和21150nm/RIU,分辨率可达到194×10-5 RIU。该传感器可在化学、生物以及环境检测等领域有重要的应用。     

基于表面等离子体共振的椭圆侧芯光子晶体光纤传感器研究

设计出一种高灵敏度的新型椭圆侧芯光子晶体光纤传感器模型。圆形孔和3种不同大小椭圆孔构成该椭圆侧芯光子晶体光纤空气孔，其中椭圆孔的椭圆率分别为e、e1、e2，在椭圆率为e的左侧椭圆孔内涂敷金纳米薄膜。通过有限元分析软件COMSOL对传感器的传感特性进行数值分析。研究发现：表面等离子体共振的共振峰对待测液体折射率的变化有很高的传感灵敏度；光子晶体光纤传感器的灵敏度会随着椭圆率e、e1以及金纳米薄膜的厚度而变化。折射率在1.40～1.42范围内，传感器灵敏度随着e1的增大而增大；折射率在1.42～1.43范围内，传感器灵敏度随着e1的增大先减小再增大。当椭圆率e1=1.2、折射率为1.43时，灵敏度高达31800 nm/RIU（折射率单元）。折射率在1.38～1.43范围内，传感器灵敏度随着椭圆率e的增大而增大，当椭圆率e=2.3时，灵敏度高达33200 nm/RIU。折射率在1.42～1.43范围内，传感器灵敏度随着金纳米薄膜厚度的增大而减小，在折射率为1.43、金纳米薄膜厚度为40 nm时，传感器灵敏度高达34600 nm/RIU。     

用于测量折射率的光纤迈克尔逊干涉型传感器

提出了一种基于单模光纤-四芯光纤-薄芯光纤(SMF-FCF-TCF)迈克尔逊干涉结构的折射率传感器。采用直接熔接的方式将各光纤进行熔接,由于各光纤之间纤芯的直径不匹配,因此在光纤的熔接处会发生光的激发和耦合。薄芯光纤端面涂覆有一层银面反射膜并用紫外固化胶进行保护来增强光在端面的反射率。四芯光纤作为传感结构中的耦合器,激发了更多的光进入薄芯光纤的包层中,提升了传感器的灵敏度。对传感器的折射率和温度传感特性分别进行了实验探究,实验结果表明,在折射率1.3333~1.3794范围内的灵敏度为137.317 nm/RIU,线性度为0.999,并且温度对传感器的影响较小。该传感结构熔接方式简单,在折射率测量领域具有一定的应用前景。     

光子带隙型光子晶体光纤温度传感特性分析

为了提高光子带隙型光子晶体光纤的温度灵敏度,提出了在纤芯环上并入高折射率液体圆柱的新结构,并利用全矢量有限元法对提出的结构进行了仿真,得到了温度对光纤有效折射率、纤芯能量和有效模面积等传输特性的影响。结果表明,随着温度的升高,光纤的有效折射率和有效模面积会减小,纤芯能量会增加,且零群速率色散点向短波长方向移动,尤其在短波长条件下光纤传输特性随温度变化趋势更加明显。该研究提高了光子带隙型光子晶体光纤传输特性的温度灵敏度,使其更加适合于温度传感方面的应用。     

采用TiO_2薄膜增强光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的建模分析

提出一种采用TiO_2膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO_2薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合特性及其性能。结果表明,在待测介质折射率为1.33~1.38时,待测介质折射率与传感器的共振波长呈线性关系,线性相关度为0.9806,传感器的平均灵敏度为4200nm·RIU-1。此外,进一步分析了光子晶体光纤空气孔大小、银膜厚度、TiO_2厚度等参数对传感器性能的影响。结果表明,改变结构参数可以优化生物传感器的输出光谱、改善传感器的性能。     

SiO_2-Al_2O_3-SiO_2光子晶体缺陷腔的折射率传感特性

为了提高光子晶体折射率传感器的灵敏度和品质因数,提出了一种基于表面波谐振原理的缺陷态光子晶体-棱镜耦合传感结构。通过分层传输矩阵法对该结构建立传感理论模型,得出古斯汉欣位移与谐振波长的变化关系,从而建立谐振波长与待测样本折射率的关系模型。以SiO2-Al2O3-SiO2作为缺陷腔来代替传统表面等离子体共振(SPR)传感器中的金膜,构成折射率敏感层;采用Al2O3作为吸收层,从而在反射光谱中得到谐振缺陷峰,通过缺陷峰值的漂移实现待测样本折射率的动态监测;以乙二醇溶液为待测样本,对该折射率传感结构的Q值及灵敏度进行了分析。结果表明,其灵敏度约为3596nm·RIU-1(RIU为相对折射率单位),Q值约为1087.7,证明了结构设计的有效性,并可为高灵敏度和高Q值折射率传感器的设计提供一定的理论指导。     

基于氧化锡铟纳米薄膜的圆形晶格光子晶体光纤折射率传感器

为了实现近红外波段的高灵敏度传感,设计并研究了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(Surface Plasmon Resonance Photonic Crystal Fiber,SPR-PCF)折射率传感器.该光纤横截面的空气孔排列方式是圆形晶格,呈现出向 日葵形状.光纤包层的外壁淀积了氧化锡铟(Indium T...     

基于表面等离子体共振的高灵敏度光纤微流控芯片

设计了一种可嵌入基于表面等离子体共振(SPR)光纤传感器的微流控芯片,可用于溶液浓度的测量。采用具有良好化学惰性的有机聚合材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为芯片主体的制作材料,在芯片中微流控通道内采用镀有60 nm金膜的多模光纤-光子晶体光纤-多模光纤(MMF-PCF-MMF)传感结构来激发SPR效应。当注入微流体通道的溶液浓度发生变化时,由于光纤传感部分外部折射率的变化引起SPR谐振谷移动,故该芯片可用于测量溶液浓度。本芯片微流控通道直径为0.2 mm,最高检测灵敏度可达8240.6 nm/RIU,具有便于实时测量、高灵敏度、高可靠性、溶液用量少等特点。     

飞秒直写长周期光纤光栅及其液体折射率特性研究

利用800 nm飞秒激光在未经载氢处理的HI1060光纤中制作了长周期光纤光栅(LPFG).采用逐线刻写方式实现了谐振波长为1 548.4 nm的LPFG,谐振强度为12 dB,栅区长度小于4 mm.使用不同折射率的氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液分别对LPFG的折射率特性进行了测试和研究.实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液中的折射率灵敏度分别为175.34、175.31和331.89 nm/RIU.实验结果表明,这种基于飞秒激光制作的LPFG对液体折射率变化有较高的灵敏度,可用于液体折射率传感测试.     

基于M-Z滤波和LPFG的液体折射率传感特性研究

利用飞秒激光逐线刻写方式在HI1060光纤中制作谐振波长为1548.5 nm,谐振强度为7 dB,栅区长度为3.2 mm的长周期光纤光栅。通过纤芯错位熔接方法在HI1060光纤中制作马赫曾德-干涉仪(MZI),对LPFG的透射光谱进行滤波优化。设计使用不同折射率的酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液分别对基于MZI滤波的LPFG的折射率特性进行了测试和研究。实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液中的折射率灵敏度分别为301.78 nm/RIU、138.80 nm/RIU和132.67 nm/RIU。     

应用于折射率检测的光纤表面等离子体波传感器的研究

光纤表面等离子体波传感器具有结构简单、灵敏度高等特点,在机敏结构中具有非常重要的应用前景。运用光纤表面等离子体波来测量折射率是一种简便、灵敏的方法,我们可以利用这一特性制作出通过检测折射率对复合材料进行固化检测的光纤表面等离子体波传感器。本文介绍了光纤表面等离子体波传感器的基本原理及利用这种光纤传感器来测量折射率的初步研究。     

基于长周期光纤光栅和Sagnac环的温度与折射率的区分测量

利用长周期光纤光栅(LPFG)和保偏光纤(PMF)Sagnac环透射光谱的调制特性,设计了温度和折射率同时区分测量系统。通过监测LPFG嵌入Sagnac环的透射谱中谐振峰波长和强度的变化,测定了波长和强度对温度和折射率的灵敏度系数,构建了传感系数矩阵。实验发现,谐振峰波长随温度变化,谐振峰强度随折射率变化,实现了温度与折射率的区分测量。实验测得该系统的温度灵敏度0.1 286nm/℃,折射率灵敏度为49.38dB/RIU。实验结果验证了方案的正确性,且实验系统搭建简便,体积小,成本低,具有一定的应用前景。     

准分布式光纤表面等离子体波传感器

研究了一种基于波分复用原理的准分布式光纤表面等离子体波传感器。应用光波导理论和多层膜反射理论分析了表面等离子体波效应在同一光纤探头中连续被激励的原理及其传感模型。通过数值模拟和相应实验分别考察了蒸镀调制层对表面等离子体波共振(SPR)效果的影响,并在此基础上给出了设计的一般步骤和原则。实验结果表明,蒸镀不同厚度的Ta2O5薄膜将导致表面等离子体波共振光谱发生偏移,且随着膜厚增加而逐渐发生红移;当液体折射率n0处于1.333~1.388之间时,蒸镀有Ta2O5薄膜的光纤表面等离子体波传感器波长灵敏度达到2235 nm/RIU(Refractive Index Unit);通过在一支光纤探头上依次加工两个表面等离子体波传感区域,实现了对光波信号的连续调制。     

基于光子晶体光纤M-Z干涉仪的折射率传感器研究

研制了一种通过手工熔接方法在两段单模光纤（SMF）间焊接一段实芯光子晶体光纤（PCF）而形成的Mach-Zehnder干涉仪（MZI）传感器,研究了传感器传输光谱与外界折射率的关系。实验结果表明,这种MZI传感器的中心波长随着外界折射率的增加向长波方向漂移,在1.340-1.384的折射率变化范围内,干涉长为3.2cm...     

基于磁光波导的液体折射率传感特性研究

为了对溶液折射率进行精确测量和传感,采用转移矩阵法对Ce:YIG/Ag/liquid 3层基于磁光表面等离子共振的结构与棱镜组成耦合系统进行了数值计算,并用有限元法进行了模拟仿真。由低损耗的Ag和强磁光性的Ce:YIG组成的结构在入射光波长为980nm时,灵敏度达到4.082/RIU（溶液折射率n=1.330~1.340）。结果表明,与其它传统的表面等离子共振传感结构相比,本文中提出的折射率传感器的灵敏度大大提高。该结构在实际应用中可以更加简便地探测溶液的折射率。     

基于MSM结构的表面等离子体共振光纤折射率传感器

基于表面等离子体共振(SPR)效应,设计了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构的光纤折射率传感器。采用光纤熔接的方式构成MSM结构,并且在单模光纤的表面涂覆二氧化钛/银(TiO2/Ag)复合膜构成传感单元。利用FDTD Solutions仿真分析了单模光纤长度与金属膜厚度对传感器性能的影响。结果表明:单模光纤长度越长,共振深度越深;TiO2/Ag复合膜中Ag膜厚度为50nm,TiO2膜厚度为20nm时,传感器性能最优,在1.33~1.41环境折射率范围内,传感器的灵敏度约为6 875nm/RIU。实验结果表明该光纤折射率传感器结构制作工艺简单、灵敏度高。