基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器（英文）

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

用光子晶体光纤光栅实现温度、应力和气体浓度的同时传感

为了解决传统光纤传感在传感不同物理参量时需要多个传感器的问题,并拓展光纤在同时传感多参量方面的应用,结合光子晶体光纤（PCF）中基模与高阶模光的不同传感特性以及气体吸收传感原理,在PCF传感温度、应力双参量的实验基础上,应用理论分析的手段探讨了同时传感温度、应力和气体浓度3种参量的方法。给出了3种参量的计算式并进行了数值模拟,最后设计了一套相对简单、性价比高的传感解调系统。理论分析和数值模拟表明:温度在0℃以上时可以获得高于0.98 pm/℃的温度灵敏度;基模光应力灵敏度为1.2 pm/,高阶模光可获得高于0.83 pm/的应力灵敏度;长度较短的光子晶体光纤能够测量较高的气体浓度。本方案使用2个写入光纤布拉格光栅（FBG）的PCF作为传感器同时传感温度、应力和气体浓度3种参量,能够有效降低传感成本,拓宽气体、液体传感研究的思路。     

基于光纤微腔的温度及折射率同时测量型传感器

基于多光束干涉原理,设计了一种基于光纤微腔的温度及折射率同时测量的反射型光纤传感器.该传感器将渐变折射率多模光纤的一端用氢氟酸腐蚀形成一个空气腔,带空气腔的渐变折射率多模光纤一端和单模光纤熔接,另一端切平构成传感头.实验选取渐变折射率多模光纤的长度为538.1μm,空气腔长度为40.8μm.结果表明:光纤微腔结构所形成的多光束干涉光谱条纹对比度与光纤微腔外的溶液折射率相关,干涉波峰移动与环境温度相关,通过监测条纹对比度和干涉波峰的移动,可以实现对折射率和温度的同时测量.当折射率在1.341 5~1.432 0RIU变化时,反射强度对折射率的灵敏度为57.24dB/RIU;当温度在30℃~70℃之间变化时,谐振波长对温度的灵敏度为12.3pm/℃,可检测到的最小温度变化为1.2℃,测得最小折射率变化为3.4×10-4.该传感器也可应用于其他参量的测量,具有良好的应用前景.     

基于多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率同时测量的光纤传感器

利用偏芯熔接的方法,研制出一种可实现温度和折射率同时测量的光纤传感器。该传感器将一段多模光纤MMF2的左端与一芯径与长度均相同的多模光纤MMF1偏芯熔接,右端与一大芯径多模光纤MMF3对芯熔接构成传感头,利用多模光纤纤芯模和包层模对温度、折射率的敏感性差异,结合敏感矩阵实现了双参量同时测量。实验选取了位于1536.98nm和1545.24nm处的干涉谷进行了温度和折射率的测量,测得1536.98nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.105nm/℃,对折射率不敏感;1545.24nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.052nm/℃,对折射率的敏感性为32.2nm/RIU(RIU表示单位折射率)。该传感器也可应用于其他参量的测量,具有良好的应用前景。     

基于保偏光子晶体光纤的Sagnac干涉温度与应变传感特性

提出一种基于Sagnac干涉原理的光纤传感器,并将其用于温度和应变的环境检测。实验中,选用乙醇溶液填充前后的保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为传感单元。首先,将未填充乙醇溶液的PM-PCF熔接到Sagnac干涉环路中,依靠PM-PCF基底材料的光热效应和光弹性效应,分别在26～50℃温度范围内和0～900μ?应变范围内,实现了-1.72 nm/℃的温度传感灵敏度和35.35 pm/μ?的应变灵敏度。然后,利用氮气加压装置,将乙醇溶液填充到PM-PCF包层空气孔内。这是利用功能材料的外场调谐作用来增强Sagnac干涉仪的传感性能。填充乙醇溶液后,该传感器的温度灵敏度达到-2.66 nm/℃,约为原始PM-PCF温度灵敏度的1.55倍。所提出的用于温度和应变测量的Sagnac干涉传感器结构较为简单,具有良好的迟滞性,对提升光纤传感灵敏度具有一定的借鉴意义。     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

可同时测量蔗糖浓度和温度的组合光纤光栅传感器

为了实现蔗糖溶液浓度与温度的同步精确测量,采用组合式光纤光栅,通过线性折射率分区,构成相应的系数矩阵。首先,基于模式耦合理论,采用光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPBG）形成组合式光纤光栅,实现了双参数测量的光学传感器。此组合式光纤光栅结构中,FBG响应温度测量,LPFG同时响应蔗糖溶液浓度和温度测量。然后,在两个线性折射率范围,即1.33~1.42和1.42~1.44中,校正温度和蔗糖溶液浓度的相关系数。最后,构成两个敏感系数矩阵,来讨论蔗糖溶液浓度和温度同时测量的方法。实验结果表明：蔗糖溶液浓度测量灵敏度达到-213.5 pm/RIU,温度测量灵敏度达到117.9 pm/K。因此,组合式光纤光栅传感器作为光化学传感器具有高灵敏度的特性。     

基于氧化石墨烯涂层的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪温湿度传感器

对基于微锥的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构进行了理论和实验研究。与传统没有经过侧边抛磨的光纤MZI相比,可以看出控制光纤侧抛深度可以有效地提高MZI结构的折射率传感性能。研究结果表明:侧抛深度达41.7μm时,折射率在1.34附近的传感灵敏度达-117.145 nm/RIU。利用侧抛光纤MZI结构结合亲水性材料氧化石墨烯(GO),通过将其沉积在侧抛光纤MZI表面,实现了对温度和湿度双参量的同时测量。温度和相对湿度(RH)的传感灵敏度分别达131.77 pm/℃和-76.1 pm/%RH。所提侧抛光纤MZI传感器结构具有灵敏度高、低成本和制备简单等优点,在生物化学传感领域具有广泛的应用前景。     

合金钢封装光纤Bragg光栅传感器传感特性的研究

提出了一种光纤光栅新型合金钢封装结构。利用等强度悬臂梁和温度控制箱对合金钢封装光纤布拉格光栅的应力和温度传感特性进行了测量。实验表明,采用该种封装的光纤光栅传感器保持了裸光纤光栅的响应灵敏度,其拉应变灵敏度系数为1.17pm/με,压应变灵敏度系数为1.2pm/με,温度灵敏度系数为11.3pm/℃,线性响应度在0.9995以上,可满足实际应用的要求。     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

飞秒激光刻写的超短光纤布拉格光栅及其传感特性

为了提高光纤光栅传感器的测量精度及可靠性,实现点式测量,拓宽光纤布拉格光栅(FBG)的应用,本文提出了基于飞秒激光直写扫线技术制备超短FBG。首先,在单模光纤上制备了周期为5.35μm、长度为53.5μm的超短FBG,其温度和应力的灵敏度分别为0.011 nm/℃和1.509 nm/N;然后,用体积分数为4%的氢氟酸对制备超短FBG进行选择性腐蚀,制备出了微通道超短FBG,并研究了它对NaCl溶液的传感特性,其折射率灵敏度为69.11 nm/RIU。结果表明,这种微通道超短FBG具有高重复性、高可靠性、可多参数测量等优点。     

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光栅的波长标定方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性,将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪的温度光纤布拉格光栅FBG置于同一温度场中,以现场可编程门阵列FPGA(field-programable-gate-array)作为数据处理和控制芯片,设计了通过串口发送智能指令对温场变化的实时监控和显示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制,降低了FBG波长标定的成本及功耗。实验表明,标定出的波长-温度曲线线性度为0.999,测得光栅的温度灵敏度系数为9.899 pm/℃,与用恒温箱测得的结果10.468 pm/℃相差0.569 pm/℃,在系统允许误差0.619 pm/℃范围内,验证了该方法的准确性。     

折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器

提出了一种折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器。在制作传感器的过程中,设置熔接电流为100 mA,通过将少模光纤与单模光纤进行无错位熔接,以激发稳定的传输模式,形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。由于外界环境的改变会引起少模光纤中不同模式之间相位差的改变,从而导致干涉条纹的漂移,因此通过检测干涉条纹的漂移量就可以实现待测参数的检测。少模光纤可以传输LP₀₁,LP₁₁,LP₂₁,LP₀₂共四种模式的光。实验中对长度为81.5 mm的传感器光谱进行分析可知,发生干涉的两个模式主要是LP₀₁模和LP₁₁模。利用该长度的级联型单模-少模-单模光纤传感器进行折射率和温度传感实验,结果表明,随着传感器温度不断的增加,其传输光谱出现了明显的蓝移现象,在27.6~93.8 ℃的温度变化范围内,灵敏度高达-85.9 pm·℃-1,且具有较好的线性度;在甘油折射率为1.347 1~1.443 9变化范围内,其传输光谱没有出现明显的漂移现象,灵敏度仅为3.697 34 nm·RIU-1,具有折射率不敏感特性。因此,相对于传统的包层模干涉型与多模干涉型光纤传感器,所提出的基于FMF的传感器更易于实现对传输模式的控制与分析,且具有结构简单、易于制备、灵敏度高等优点,能够避免温度与折射率同测的交叉敏感问题,可用于电力系统、生物医学、航空航天等领域的温度检测。     

Single S-tapered fiber Mach-Zehnder interferometers

A fiber Mach-Zehnder interferometer (MZI) sensor, novel to our knowledge, based on a single "S"-like fiber taper has been fabricated via applying nonaxial pull in fiber tapering by a fusion splicer. The typical feature size of the structure has a length of 660 μm and the axial offset of 96 μm. This S fiber taper MZI has a refractive index (RI) sensitivity of 1590 nm/refractive index unit in the RI range of 1.409-1.425 and a strain sensitivity of about -60 pm/microstrain, which is 30 times higher than that of the normal two-taper-based MZI sensors.     

Design of fiber Bragg grating-based Fabry–Perot sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature

A new sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature is proposed. The sensor consists of Fabry–Perot cavity formed by two identical uniform fiber Bragg gratings. To make the cavity serves as humidity sensor, moisture sensitive polymer, which is polyimide, is coated on the FBG and on the cavity with different thickness. When the sensor is exposed to the relative humidity change, the polyimide will expand and stretch the fiber and induces strain on the FBG and on the cavity. The induced strain alters the grating period, cavity length and effective refractive index of fiber. The simulation results show that the humidity sensitivity and thermal sensitivity are 1.92 pm/%RH and 8.87 pm/°C, respectively, for polyimide coating thickness of 10 μm on the FBG and 15 μm on the cavity.     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。