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。     

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。     

具有波长标定功能的多模光纤温度传感器

给出了基于宽谱光源问讯的具有波长标定功能的多模光纤温度传感器理论分析,指出光谱中凹陷所对应的特征波长位置是由多模光纤中激励起的多个传输模式再次耦合到引出单模光纤中进行干涉决定;特征波长由多模光纤的芯径、长度、纤芯和包层折射率决定.利用提出理论对光源光谱ASE的光谱范围中出现的特征波长的个数进行了分析模拟,并优化设计了只出现一个特征波长的多模光纤温度传感器,制作了三个长度分别约为4 cm,5.5 cm和10 cm的只有一个特征波长的多模光纤温度传感头,利用毛细玻璃管进行了封装, 并利用分辨率为0.01 nm的光谱分析仪进行了温度测量实验,发现温度与特征波长漂移的线性关系约为13 pm/℃.     

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.     

全光纤干涉式结构中传感模式仿真分析

全光纤干涉式传感结构中包层模场与外界物理量作用,携带被感测信息,因此对包层模的研究是设计制作和提高该类传感器传感性能的关键.利用有限差分光束传播法获得传感光纤不同长度和不同芯径比时传感器对应的光谱,通过傅里叶变换获得其干涉频谱,计算出各主要参与干涉的包层模组的有效折射率,利用色散方程确定对应包层模.理论仿真结果显示,随着传感部分光纤长度增加,参与干涉的包层模式随之增加,并且向高阶模式变化,光谱变得稠密,是多阶包层模干涉的叠加,传感器输出干涉谱的自由光谱范围变小.随着输入光纤与传感光纤芯径比变化,会明显改变纤芯包层功率分布,同时,芯径比增大也会增加参与干涉的包层模种类和阶数.     

包层模谐振特种光纤及传感特性研究

研究了一种具有双包层结构的包层模谐振特种光纤,该特种光纤具有一个低折射率内包层,基于耦合模原理,纤芯模与包层模之间发生谐振耦合,从而获得具有带阻特性的传输光谱.系统介绍了包层模谐振光纤的制备、传输原理及其弯曲、溶液折射率、折射率/温度双参量等传感特性.实验和理论研究结果表明,包层模谐振特种光纤对于弯曲、溶液折射率参量具...     

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     

关于镀有LB膜长周期光纤光栅的谐振波长的研究

理论上详细分析了长周期光纤光栅谐振波长随外界环境折射率变化而变化的光谱特性，分析结果可较好地解释镀有LB膜(Langmuir-Blodgett thin-film)的长周期光纤光栅的谐振波长与膜厚之间的关系。分析研究表明．通过减小纤芯直径和改变芯与包层折射率差等方法可调整光纤光栅的谐振波长，使其从一般光纤光栅谐振波长所处的近红外区转到可见光区，以利于光纤光栅配套仪器系统的调试并使系统成本降低，从而为长周期光纤光栅传感技术的发展和应用奠定基础。     

长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使优化的长周期光纤光栅具有实用性,谐振波长设计在1.55 μm的常规波长范围,经过多次摸拟实验,提出最佳优化参量为：Λ=380 μm,rcl=17 μm,对环境介质折射率从1.26~1.38不同值的实验测试,折射率传感灵敏度达到0.000 12,长周期光纤光栅的结构优化获得理想的预期效果.     

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。     

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.     

Fiber-optic sensor for liquid level measurement

A novel (to the best of our knowledge) liquid level sensor based on multimode interference (MMI) effects is proposed and demonstrated. By using a multimode fiber (MMF) without cladding, known as no-core fiber, liquids around the MMF modify the self-imaging properties of the MMI device and the liquid level can be detected. We show that the sensor exhibits a highly linear response with the sensing range and multiplexed operations easily controlled by just modifying the length of the no-core fiber. At the same time, we can measure the refractive index of the liquid based on the maximum peak wavelength shift. We can also use the sensor for continuous and discrete liquid level sensing applications, thus providing a liquid level sensor that is inexpensive with a very simple fabrication process.     

具有大范围高分辨率线性响应特性的超短无芯光纤溶液折射率传感器

通过理论与实验对比, 证明模式传输分析(MPA)方法求解单模-多模-单模(SMS)结构的可行性. 以MPA理论为基础, 提出了SMS结构折射率传感装置线性响应点的寻找方法. 利用该方法为实验制作的无芯光纤SMS折射率传感器设计了大范围高分辨率线性响应位置, 并在实验中获得证实. 实验采用短至4.4 mm的直径104 μ无芯光纤, 在折射率1.326–1.417范围上获得了19.10 dB的功率线性变化, 以商用光功率计0.01 dB分辨率计, 折合折射率分辨率4.76×10^-5, 实现了理论指导下的大范围高分辨率线性响应. 关键词： 全光纤折射率传感器 多模干涉仪 SMS 无芯光纤     

具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率（RI）传感器,传感头结构由2段很短的多模光纤（MMF）之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅（FBG）构成,传感头总长度为14 mm,FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明,该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃,用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器,这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。     

波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测,是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、 生物传感领域有重要的应用。     

带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理

结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理,在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅,并利用其高效的承载机制,提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构.在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态,通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射,并在缺陷腔中加入吸收介质,使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡,从而在反射谱中得到缺陷峰;调整光子晶体参数,使缺陷峰的半高全宽得到优化,提高其品质因数(Q值);在此基础上,根据Goos-H?nchen相位移与谐振波长的关系,建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型,并分析其折射率传感特性.结果表明,此生物传感结构Q值为1429,灵敏度为546.67 nm/RIU,证明了该传感结构的有效性,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.     

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。     

All-fiber refractometer based on core mismatch structure

We demonstrate a novel all-fiber refractometer which is a multimode-single mode-multimode (MM-SM-MM) fiber structure formed by splicing a section of uncoated single mode fiber (SMF) with two short sections of multimode fibers (MMFs). Owing to the core mismatch at the splicing points of the SMF with two sections of MMFs, part of the guided light propagates in the cladding of the SMF, which makes the SMF sensitive to the external refractive index (RI). RI sensing is achieved by measuring the wavelength shift of the interference pattern of the cladding mode and the core mode of the SMF. A RI sensor with an average sensitivity of 412 nm/RUI (refractive index unit) for a RI range from 1.333 to 1.400 is presented.