基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

单模与多模光纤级联型压力传感器

研制了一种基于单模光纤与多模光纤级联结构的马赫-曾德尔干涉型压力传感器,它通过将一段单模光纤夹熔在两段多模光纤之间制成.利用纤芯的不匹配所激发的单模光纤中纤芯模和包层模之间的干涉,使外界压力的变化直接作用于单模光纤内部光场,获得较高灵敏度.当传感器总长度为39mm时,可获得较为理想的传输谱线.压力传感实验表明:随着压力的增大,传输光谱向长波方向漂移,在2~16N的压力范围内,传感器的压力灵敏度为554.830pm/N,线性度为0.984,具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高等优点,可用于不同领域的压力传感.     

磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤结构的磁场传感特性

基于磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤的磁场传感结构中,无芯光纤起激发单模光纤的包层模并实现芯模-包层模干涉的作用.实验测量了该传感结构在不同外界磁场强度和温度下的透射光谱,研究了其磁场传感性能及环境温度对传感性能的影响.结果表明,随外界磁场强度的增加,波长在1 462nm和1 477nm位置附近的干涉谷均发生红移,其相应的磁场传感灵敏度分别为67.28pm/Oe和49.82pm/Oe;波长在1 462nm位置附近的干涉谷随温度的增加发生蓝移,干涉谷随温度变化的灵敏度为37.8pm/℃,该传感结构制作简单、灵敏度高,有很好的应用前景.     

高灵敏度光纤应变传感器

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程,获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉,导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱,通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量,在0~500 με的测量范围内,该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感,应变灵敏度高,同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。     

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。     

基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺,提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器,激发出光纤高阶包层模,纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高,对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究,实验结果表明在0~9mm的液位变化范围内,干涉谷波长与液位呈线性关系,水液位灵敏度为-0.116nm/mm,质量分数为4.7%的NaCl溶液液位灵敏度为-0.129nm/mm;在20~80℃的水温变化范围内,干涉谷的温度灵敏度为0.038nm/℃。传感器结构简单、制作简便,而且成本低廉,在石油化工等领域具有较好的应用前景。     

基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中,多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差,再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移,通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU和0.0501nm/℃(其中RIU为折射率单位);1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26nm/RIU和0.0505nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20℃~90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU和0.0465nm/℃;1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24nm/RIU和0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。     

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。     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

Refractive index and temperature sensing characteristics of an optical fiber sensor based on a tapered single mode fiber/polarization maintaining fiber

An evanescent field optical fiber sensor based on a short section of polarization maintaining fiber spliced with a tapered single mode fiber is proposed and experimentally investigated. We mainly focus on the refractive index(RI) and temperature sensing characteristics of this compact device. The transmission spectrum of the resonance wavelength,induced by the interference between the excited low order cladding modes and core modes,shows the quadratic function relationships with RI and linear relationships with temperature. Thus,the proposal of this simple-to-fabricate,compact,and low cost sensor shows its possible potential in the sensitive detection field.     

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。     

Compact optical fiber curvature sensor based on concatenating two tapers

A low-loss, compact, and highly sensitive optical fiber curvature sensor is presented. The device consists of two identical low-loss fused fiber tapers in tandem separated by a distance L. When the optical fiber is kept straight and fixed, no interference pattern appears in the transmitted spectrum. However, when the device is bent, the symmetry of the straight taper is lost and the first taper couples light into the cladding modes. In the second taper, a fraction of the total light guided by the cladding modes will be coupled back to the fundamental mode, producing an interference pattern in the transmitted spectrum. As the fiber device is bent, visibility of the interference fringes grows, reaching values close to 1. The dynamic range of the device can be tailored by the proper selection of taper diameter and separation between tapers. The effects of temperature and refractive index of the external medium on the response of the curvature sensor is also discussed.     

基于薄包层极大倾角光纤光栅的灵敏度增强型振动传感器

提出了一种薄包层极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器,采用基于标准单模光纤的极大倾角光纤光栅,从理论上分析包层半径的减小对波导色散因子、包层模的有效折射率、轴向应变灵敏度因子、轴向应变灵敏度及模式阶数的影响,并进行数值仿真,为其振动传感增敏方法提供理论依据.然后使用氢氟酸腐蚀光纤包层,构成不同直径的极大倾角光纤光栅并进行相...     

不同包层直径的倾斜光纤光栅折射率传感特性

倾斜光纤光栅的透射谱中有纤芯模和大量的包层模,它们具有与布拉格光栅相同的温度特性.利用HF酸腐蚀的方法得到具有不同包层直径的倾斜光纤光栅,研究了其对外界折射率的传感特性.结果表明,外界环境折射率在1.333～1.4532之间变化时,同一直径倾斜光纤光栅的高阶包层模的敏感性要比低阶包层模强;随着包层直径的减小,包层模的敏感性增强,且在折射率比较高的环境中有更高的敏感性.因此,利用倾斜光纤光栅的温度特性不仅可以解决温度交叉敏感问题,而且通过小同的腐蚀程度能定制所需要的灵敏度,以实现对环境折射率的高灵敏度测量.该办法可应用于对生物和化学等高灵敏度传感领域的各种溶液进行实时监控.     

Refractive index sensor based on high-order surface plasmon resonance in gold nanofilm coated photonic crystal fiber

We propose a novel kind of wide-range refractive index optical sensor based on photonic crystal fiber(PCF) covered with nano-ring gold film.The refractive index sensing performance of the PCF sensor is analyzed and simulated by the finite element method(FEM).The refractive index liquid is infiltrated into the cladding air hole of the PCF.By comparing the sensing performance of two kinds of photonic crystal fiber structures, a wide range and high sensitivity structure is optimized.The surface plasmon resonance(SPR) excitation material is chose as gold, and large gold nanorings are embedded around the first cladding air hole of the PCF.The higher order surface plasmon modes are generated in this designed optical fiber structure.The resonance coupling between the fundamental mode and the 5 th order surface plasmon polariton(SPP)modes is excited when the phase matching condition is matched.Therefore, the 3 rd loss peaks appear obvious red-shift with the increase of the analyte refractive index, which shows a remarkable polynomial fitting law.The fitnesses of two structures are 0.99 and 0.98, respectively.When the range of refractive indices is from 1.40 to 1.43, the two kinds of sensors have high linear sensitivities of 1604 nm/RIU and 3978 nm/RIU, respectively.     

基于Michelson干涉仪的高灵敏度光纤高温探针传感器

提出了一种简单的高灵敏度的光纤高温探针传感器, 该传感器由一小段多模光纤和一端镀有银膜的单模光纤熔接而成. 由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不同, 当光波从多模光纤传输至多模光纤和单模光纤的熔接端面时, 一部分纤芯光耦合进包层, 因为单模光纤纤芯的折射率和包层的折射率不同, 不同模式的光经过银膜反射后在多模光纤内重新耦合进单模光纤, 最终形成干涉.随着外界温度的升高, 干涉谱峰值会向长波方向漂移. 实验结果证明这种传感器在470 ℃–600 ℃范围内具有很好的稳定性, 线性度达99.7%, 灵敏度为120 pm/℃, 可作为远距离反射型探针温度传感器, 在石油探测和油气田开发等领域有着广泛的应用前景. 关键词： 光纤传感 温度测量 Michelson干涉