侧边抛磨区材料折射率对光纤光栅波长的影响

针对轮式光纤侧边抛磨法,研究了在侧边抛磨光纤光栅抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤光栅Bragg波长随外界折射率的改变而变化的特性.理论计算与实验结果都表明,侧边抛磨光纤光栅Bragg波长会随抛磨区覆盖材料折射率的增大向长波长方向偏移；侧边抛磨面离光栅区纤芯表面越近,覆盖材料折射率对波长偏移的影响越大.实验指出,当侧边抛磨区覆盖材料的折射率从1.389 7变到1.447 9时,Bragg波长将会发生1.402 nm的偏移.用轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤光栅可应用于光纤光栅的波长调谐或传感器.     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

侧边抛磨光纤波导传输特性的理论分析

在建立侧边抛磨光纤D型光纤边界条件的基础上,用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随光纤的侧边抛磨长度、光纤侧边抛磨后剩余包层的厚度、以及填充聚合物材料折射率三个参量变化的特性.结果表明,侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随着抛磨长度的增加而增大;当抛磨长度等于9 mm时,光功率衰减随着剩余包层厚度的增大而单调递减.而当抛磨长度大于9 mm时,剩余包层厚度小于3 μm的范围内,光衰减随着剩余包层厚度的增加出现振荡;当聚合物折射率与纤芯折射率相同时,光功率衰减最大.     

侧边抛磨光纤光栅的数值模拟和实验研究

本文设计并建立侧边抛磨光纤Bragg光栅的光学模型,通过改变剩余包层的厚度以及抛磨区材料的折射率,模拟计算光栅谐振波长的偏移量以及光栅光谱反射率的变化.实验结果表明,当抛磨区材料折射率越接近光纤纤芯折射率,以及抛磨程度越深(3μm以内),抛磨区材料的折射率的微小变化也会引起光栅谐振波长与光栅光谱反射率明显变化.     

基于表面等离子体共振的4杆悬浮芯光纤折射率传感仿真分析

设计了一种小芯径的4杆悬浮芯光纤折射率检测传感器,并针对这种光纤模拟了三种不同的抛磨结构。通过在开放式的气孔中涂覆金膜来激发表面等离子体共振效应。采用有限元方法（FEM）分析了开放式悬浮芯光纤的表面等离子体传感特性,并研究了传感金属层和悬浮杆厚度对传感效果的影响。单孔抛磨结构和相对两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.42,最大灵敏度分别为15000 nm/RIU（refractive index unit）和16000 nm/RIU,分辨率分别为6.7×10^-6 RIU和6.25×10^-6 RIU。相邻两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.40,最大灵敏度可达20000 nm/RIU,分辨率可达5.0×10^-6 RIU。此传感器在测量高折射率物质方面具有很好的性能,便于制备,将来有广阔的市场应用前景。     

侧边抛磨光纤的光谱调制型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振传感是基于光学消逝波与金属表面等离子体波共振的一种高灵敏度、快速、无标记的测量方式。光纤的表面等离子体共振传感具有在线测量、体积小、抗电磁干扰等优点。为提高折射率传感灵敏度,采用轮式侧边抛磨法抛磨掉多模光纤的全部包层和部分纤芯,并采用溅射法在光纤抛磨区先镀高折射率的铬层然后镀金膜,制作了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器。研究结果表明:该传感器可实现液体折射率在1.333~1.431RIU范围的测试,平均光谱灵敏度为4.11×103 nm·RIU-1,在1.417~1.431RIU折射率范围内光谱灵敏度达1.09×104 nm·RIU-1,折射率测量范围和光谱灵敏度均优于已报道的结果。此外,该传感器具有良好的稳定性与重复性实验测试,最小分辨率约为3.6×10-5 RIU。该传感器光谱灵敏度高、检测范围大、尺寸小及良好的稳定性与重复性等优点,可被用于食品检测、环境监测、生物医学检测等相关领域。     

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1～1.30范围内包层半径为20.75 μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.     

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析（英文）

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1~1.30范围内包层半径为20.75μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.     

基于侧边抛磨光纤表面等离子体共振的折射率和温度传感研究

用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,通过磁控溅射法溅射金膜制成侧边抛磨光纤表面等离子体共振(SPR)传感器,并通过理论和实验对传感器的折射率灵敏度以及温度特性做了深入研究。结果表明表面等离子体共振波长随待测样品折射率的增大向长波长方向漂移,平均折射率灵敏度为4.1×103 nm/RIU(RIU为单位折射率),高于已报道的结果;共振波长随待测样品温度的升高向短波长方向漂移,平均温度灵敏度为0.36nm/℃,故该光纤SPR传感器具有更强抗温度漂移能力和更高的高折射率灵敏度,其在生物化学传感领域有重要的应用。     

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。     

侧边抛磨光纤中传输光功率变化的实验研究

针对轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤,研究了在侧边抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤传输光功率随覆盖材料折射率变化的特性.研究表明,侧边抛磨光纤中传输光功率会随抛磨区覆盖材料折射率的变化而改变.当覆盖材料的折射率小于1.437 8时,光功率损耗近似为零；而当覆盖材料的折射率逐渐增大接近1.452 1时,光功率损耗迅速增大至最大值.当覆盖材料的折射率由1.453 2逐渐增大时,光功率损耗由最大值逐渐减小,最终维持在某个确定的值.侧边抛磨光纤并不是抛磨深度越深,损耗就越大.侧边抛磨光纤中传输的光功率存在波长相关损耗(WDL）.实验结果与理论结论符合较好.     

开放式多通道多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器

基于多芯少模光纤结构特性,提出了一种具有开放式感知通道的多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器.建立了多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器的模型,利用有限元方法分析了纤芯气孔间距、膜层厚度、膜层材料以及不同传输模式对传感器性能的影响,并讨论了传感器多通道感知性能.仿真分析发现,纤芯气孔间距决定了倏逝波的耦合强度,材料特性和模式共同影响了表面等离子体共振峰的位置和灵敏度.经过计算可知:当单个凹槽传感通道上沉积100 nm铟锡氧化物薄膜,分析物折射率范围为1.33—1.39时, LP11ax模式对应的平均光谱灵敏度为12048 nm/RIU(其中RIU为折射率单位,即refractive index unit),最高灵敏度为20824.66 nm/RIU,最大折射率分辨率可达4.8×10~(–6) RIU;当光纤外围凹槽镀上不同厚度的金膜、银膜和铟锡氧化物膜时,既可以单独探测生物物质,也可以联合检测同一生物物质,实现了传感通道的控制灵活性和测试物质的多样性.     

基于氧化铟锡的十重偏芯D型光子准晶光纤的高灵敏度表面等离子体共振传感器

设计并分析了一种高灵敏度表面等离子体共振(SPR)传感器,该传感器由偏芯D型结构的十重光子准晶光纤(PQF)组成,并局部涂覆氧化铟锡(ITO).偏芯D型结构可以使液体分析更加方便,增强了纤芯模与SPP模之间的耦合,提高了传感灵敏度.采用有限元法对传感器的特性进行研究.结果表明,传感器的波长灵敏度随折射率(RIs)的增大...     

光纤耦合三角形金柱阵列的等离子体共振

为了满足表面等离子体传感器高灵敏度、高线性以及较大测量范围的需求,提出侧边抛磨光纤耦合的三角形纳米金柱阵列等离子体共振传感模型.用有限元法仿真得出侧边抛磨光纤倏逝场激发出三角形纳米金柱的三种等离子体共振模式,分别为传输等离子体、三角形纳米金柱的本征等离子体和柱间等离子体,在传感器透射谱中呈现三个共振波谷.本征等离子体和柱间等离子体均属于局域等离子体,所对应的共振波谷对外界环境折射率的灵敏度较低但具有很高的线性度.传输等离子体对应的波谷随折射率变化灵敏度很高且呈非线性关系,优化后三角形金柱阵列设计中,当折射率为1.38~1.42RIU时,灵敏度高达12 882nm/RIU.该传感结构集成了侧边抛磨光纤的强倏逝场,具有传输等离子体的高灵敏度、局域等离子体的高线性度和大测量动态范围等优点,有重要的研究意义和实用价值.     

长周期光纤光栅的折射率敏感特性

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性,给出了LPFG 的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式.对 LPFG 的折射率传感特性进行了数值模拟.结果表明:在光栅周期不变的情况下,当包层折射率小于且接近外界环境折射率时,波长的漂移量增大,且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小,波长漂移量越大,即 LPFG 对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高;当外界环境折射率大于包层折射率时,光栅的谐振波长将近似不变.     

基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论,分析了U型光纤传感器的传感原理,指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器,把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中,研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0mm时,传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象;当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时,光谱损耗峰波长发生红移,且弯曲半径越大,折射率传感灵敏度越高;在曲率半径为5mm时灵敏度为207nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220nm/RIU(折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例,当曲率半径为4mm时,损耗峰半高宽最小达3.2nm.综合半高宽和灵敏度两个参量,得出曲率半径4.5mm的U型光纤传感器品质因素最高,分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2RIU-1(折射率1.40~1.42RIU),可直接由SM-28单模光纤制成,且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理,具有很好的应用前景.     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172 nm/riu(refractive index unit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07 nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.