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.     

色散补偿光纤上刻写的光纤光栅对纵向拉力和温度的同时测量

在色散补偿光纤上刻写光栅,形成全光纤复合传感结构,将干涉结构和光栅结构集成在同一段光纤内.分析了干涉包层模式和布拉格谐振峰对纵向拉力以及温度的响应机理.通过监测包层模式和布拉格谐振峰的波长漂移量,建立矩阵方程,实现对纵向拉力和温度双参量的同时测量.实验结果表明,包层模式和布拉格谐振峰对温度的响应灵敏度分别为49.4pm/℃和11.0pm/℃,包层模式对纵向拉力的响应灵敏度为1.05pm/με,布拉格谐振模式对纵向拉力的响应灵敏度为0.651pm/με,且这四个参数均表现出良好的线性度.该传感器结构采用低阶包层模式和纤芯基模模式,对外界环境折射率不敏感,能较好地应用于纵向拉力和温度的同时测量中.     

倾斜光纤光栅溶液折射率传感器的实验研究

根据倾斜光纤光栅(TFBG)和表面镀金的TFBG传感器测量折射率的基本原理,通过OptiGrating软件模拟了不同浓度溶液下TFBG的透射谱和芯层模与某阶包层模耦合引起的谐振峰,初步得出了TFBG各阶包层模随着外界折射率的增大而向右偏移、在一定的传感范围内中心波长与外界折射率呈线性关系的结论。用小型离子溅射仪对TFBG镀45 nm厚度左右的金膜,并用扫描电镜在微观上观察镀膜效果。通过不同浓度下的NaCl溶液、MgCl₂溶液、CaCl₂溶液实验,对比研究了裸TFBG和镀金TFBG传感器对溶液折射率的传感特性。从而验证了模拟仿真得出的结论并定量分析得知：镀金后具有表面等离子体共振的TFBG溶液折射率灵敏度大于500 nm·RIU-1,而裸TFBG为2 nm·RIU-1左右,大约提高了200～300倍,且在一定范围内中心波长与溶液折射率的线性拟合度都在0.99以上。     

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.     

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...     

单层结构光纤布拉格光栅光谱特性研究

基于单模微纳光纤基模有效折射率色散方程和光纤布拉格光栅谐振方程,研究单层结构光纤布拉格光栅光谱特性,并用FH酸化学腐蚀法制得单层结构布拉格光栅.理论和实验结果表明:随着光栅半径减小,单层结构光纤布拉格光栅谐振波长蓝移,且谐振波长个数由5个减少到1个,直至最后完全消失;随着光栅外环境折射率的减小,截止半径缩短,当折射率降到1时,截止半径减为0.55μm.     

基于少模光纤组合传感器的温度及折射率传感特性研究

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性,提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪,再在FMF上刻制FBG,通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。首先分析了组合传感器的传感原理,由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变,从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动,因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量,实现对待测参数的测量。然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响, FMF越长,干涉光谱越明显,自由光谱范围FSR越小,为了便于观测组合传感器的整体光谱,最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。实验所用FMF可稳定传输LP_(01), LP_(11), LP_(21)和LP_(02)四种模式,通过对比分析不同模式间的干涉和耦合,确定此组合传感器的干涉光谱是由LP_(01)-LP_(11)干涉形成, FBG透射谱是由LP_(02)-LP_(02), LP_(11)-LP_(11), LP_(01)-LP_(02)和LP_(01)-LP_(01)耦合形成。最后进行温度和折射率的传感实验,结果表明,随着外界温度的升高, SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移,而FBG透射谱发生红移,其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃~(-1),线性度良好;将FMF包层直径腐蚀至22μm,在1.366～1.455的折射率变化范围内,组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动,灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU~(-1)。该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化,提高了检测准确度,减小测量过程中出现的偶然误差,结构简单新颖、灵敏度高、易于制备,且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性,使得传感变得更加灵活方便。     

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。     

CO2激光脉冲边缘写入的长周期光栅折射率特性研究

报道了一种用高频CO2激光脉冲在普通通信光纤包层边缘单侧写入的新型长周期光纤光栅。研究发现,这种长周期光纤光栅的折射率变化主要发生在光纤包层区域,而纤芯的折射率变化较小;同时该光栅的附加损耗低于0.5 dB。进一步折射率特性实验研究表明,由于其特殊的折变结构,这种光栅具有较高的外界环境灵敏度,当外界折射率在1.41~1.45范围内变化时,其谐振波长漂移量高达15.52 nm,比实验测得的用传统方法写入的长周期光纤光栅谐振波长漂移量高出近3倍,这种光栅结构在光纤传感中将具有重要的应用。     

Reflective fiber-optic refractometer based on a thin-core fiber tailored Bragg grating reflection

A novel reflective refractometer based on a thin-core fiber (TCF) sandwiched between a leading single-mode fiber (SMF) and a fiber Bragg grating (FBG) imprinted SMF stub was demonstrated. The reflection from the fiber stub occurs in two well-defined wavelength bands, corresponding to the Bragg core mode and cladding modes. The TCF section functions as a tailorable bridge between the FBG core mode reflection and the surrounding refractive index (SRI). Linear response with enhanced sensitivity of 133.26 dB/refractive index unit for temperature-immune SRI measurement within the biologically desirable sensing range of 1.33-1.41 has been achieved via cost-effective power detection.     

长周期光纤光栅模式与耦合的研究

长周期光纤光栅是在光纤纤芯中沿轴向形成折射率周期性调制的带阻型光纤器件。与光纤布拉格光栅不同，它表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长的耦合。研究了纤芯基模、包层模式（HE1t/EH1t）及其有效折射率随波长的变化，研究了纤芯基模与包层模式（HE1t/EH1t）的耦合系数。研究表明，纤芯基模与一阶低次包层模式的有效折射率随波长增大而减小，纤芯基模与HE1t产生的耦合系数远大于与EH1t的耦合系数，并且包层模式次数较低时，耦合系数随次数的升高而增加。这与以前的研究结果有所不同。     

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.     

镀高折射率纳米膜的长周期光纤光栅特性研究

针对镀高折射率纳米膜的长周期光栅,建立了传感理论模型,研究了长周期光栅的谐振波长与纳米膜厚度及外界折射率的关系,给出不同纳米膜厚度下长周期光栅不同包层模式重组特性.研究发现,当长周期光栅外面镀上一层沿角向均匀分布的纳米膜时,随着膜厚变化会出现包层模分布的明显调制;适当选择镀膜参数和外界介质折射率,最低次包层模式HE1,2会成为镀膜层中的导模,其他的包层模式将会发生模式转换现象;对于较低次包层模式(如HE1.6),在模式转换的时候存在两步转换,而高次的包层模只有一步转换(如HE1.14).同时给出了包层模式转换对外界折射率响应的关系:当膜层厚度增加时,长周期光栅模式转换现象移至低折射率区域.     

Highly sensitive cladding-etched arc-induced long-period fiber gratings for refractive index sensing

We have investigated the effects of cladding etching in arc-induced long-period fiber gratings. Comparing the position of the resonant wavelengths at each diameter with the corresponding theoretical dispersion curves of effective refractive index, it is found that some of the resonances show a better match with anti-symmetrical cladding modes, while others with symmetrical cladding modes. Etching the cladding diameter to ∼39 μm, results in coupling to a high-order cladding mode that is very sensitive to changes in the ambient refractive index. The resonant peak shifts remarkably (∼230 nm) toward shorter wavelengths as the external refractive index increases. This sensitivity is higher than any previously reported in arc-induced long-period fiber gratings.     

Widely tunable long-period fiber grating with nm-thick higher refractive index film overlay

By introducing a four-layer step-index waveguide modeling, the characteristics of long-period fiber grating (LPFG) with an nm-thick film overlay, which has higher refractive index than that of fiber cladding are investigated in detail. The influence of both the overlay thickness and refractive index on the tuning ability of LPFG is analyzed. The numerical results demonstrate that spectral response of LPFG is divided into three distinct regions as the overlay deposition increases and the shift of resonant wavelength is drastic in some special thickness range. In conjunction with higher-order cladding mode coupling and fiber cladding etching, the sensitivity of LPFG to the overlay refractive index is enhanced significantly and over 120 nm resonant wavelength tunable range is achieved.     

有限包层半径光纤Bragg光栅的理论研究

采用光纤波导三层模型,对有限包层半径光纤Bragg光栅导模有效折射率的改变进行了理论分析,结果表明:当包层直径小于16μm时,单模光纤Bragg光栅(纤芯直径为8.3μm)的导模有效折射率才开始发生明显变化.在包层外添加外包层,通过改变外包层的折射率可以实现对光栅Bragg反射波长的调谐,同时对不同芯子直径的光栅Bragg波长移动进行了数值计算.在保证光纤归一化频率不变的前提下,芯径越小Bragg波长调谐范围越大,当包层厚度为1μm时,芯径为a＝2.2μm的光栅Bragg波长调谐范围约为3.9μm.     

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.