基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率传感特性实验研究

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射...     

基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率 传感特性实验研究

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射率传感器具有损耗低、成本低、灵敏度高和线性度好等特点.     

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.     

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。     

基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪的研究

研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪,进行了液位和曲率的测量实验,利用错位结构将纤芯模式激发到包层,包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。包层模式对外界物理量如折射率、应力的变化敏感,导致透射光谱漂移。波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系,利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。在液位实验中,在水位变化范围为1.00～5.00 cm时,波谷向短波方向漂移,灵敏度最高为-0.68 nm·cm-1,线性拟合度为0.995 4。在曲率实验中,曲率的变化范围为0.3～1.2 m-1时,波谷向长波方向漂移,灵敏度最高为22.47 nm·m,线性拟合度为0.986 4,表现出较高的灵敏度。错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪,用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接,结构和制作方法简单,灵敏度高,尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。     

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.     

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     

基于光纤侧边抛磨技术的醋酸浓度光纤传感器

演示了两种利用光纤侧边抛磨技术制备的用于醋酸浓度检测的光纤传感器.其中一种光纤传感器采用轮式抛磨法对光纤光栅的光栅区包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤光栅的抛磨区,利用侧边抛磨光纤光栅反射峰波长的变化对醋酸浓度进行测量;另一种光纤传感器采用轮式抛磨法对普通单模光纤包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤抛磨区,利用抛磨光纤插入损耗的变化对醋酸浓度进行测量.两种光纤传感器的实验都表明:光纤包层抛磨表面与纤芯的距离越小,测量分辨率越高.剩余包层厚度为 0 μm 的侧边抛磨光纤光栅传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为6.67%;剩余包层厚度为O.5μm 的侧边抛磨光纤传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为0.55%.     

多芯光纤及其在弯曲传感中的应用

采用纤芯间距为38.78 μm的国产多芯光纤设计了一种光纤弯曲传感器.该多芯光纤弯曲传感器由长度为1 m的七芯光纤与单模光纤拼接制成,多芯光纤弯曲时,相邻的纤芯发生模式耦合.在传感器一侧,将宽带光注入到位于多芯光纤中心的纤芯,用光谱分析仪测量带有曲率信息的频谱,获得弯曲传感器的透射谱波长偏移与弯曲曲率半径的关系,结果表明:多芯光纤弯曲半径越小,弯曲曲率越大,串扰越明显.     

单模光纤宏弯损耗的温度响应特性

为了实现光纤宏弯温度传感,对单模光纤宏弯损耗的温度响应特性进行了理论与实验研究.理论上对单模光纤宏弯损耗理论公式进行了温度修正.基于该公式模拟了波长、弯曲半径以及温度对纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗性能的影响.设计制作了一种带吸收层和镍保护层的单模光纤宏弯温度传感探头并进行了温度传感性能实验测试.结果表明:纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗对弯曲半径、波长和温度变化较为敏感,与温度之间的响应呈线性,该探头的温度分辨率为0.4℃;通过减小弯曲半径和提高光源波长,可进一步提高其温度灵敏度和分辨率.该结构光纤可近似看作纤芯-无限包层结构光纤,用于开发光纤宏弯温度传感器.     

Hydrostatic pressure sensor based on a gold-coated thin-core fiber modal interferometer and ripple shift measurement

We propose a hydrostatic pressure sensor based on a gold-coated thin-core fiber modal interferometer (TCFMI). A thin-core fiber is spliced to a single mode fiber forming a single-end fiber modal interferometer (FMI) due to the core mismatch and the fiber end reflection. Relative reflection spectra of TCFMIs based on thin-core fibers with different lengths are investigated. The TCFMI is gold-coated to enhance the optical reflectivity, which also results in the ripple of the relative reflection spectra of TCFMI. A high hydrostatic pressure sensor test system is proposed and the performance of the pressure sensor has been experimentally investigated. A pure-ripple-shift measurement method is used to achieve the demodulation of the sensor. The proposed pressure sensor has a sensing range up to 40 MPa and a sensitivity of 44.8 pm/MPa.     

Fiber-optic refractive-index sensors based on transmissive and reflective thin-core fiber modal interferometers

We present a new fiber-optic refractive-index sensor based on a fiber modal interferometer constituted by a thin-core optical fiber, whose cut-off wavelength is around three times shorter than normal single-mode fiber. In such a core diameter mismatching structure, the high-order cladding modes are efficiently excited and interfere with the core mode to form a high extinction-ratio filter (>30 dB). Both transmissive and reflective thin-core fiber modal interferometers are experimentally demonstrated, and show a high sensitivity to a small change of external refractive-index (>100 nm/R.I.U.), but a low sensitivity to the change of temperature (<0.015 nm/°C). Such a fiber device possesses an extremely simple structure, but excellent refractive-index sensing properties, and thus is an ideal candidate for fiber-optic biochemical sensing applications.     

基于侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围弯曲传感器的研究

基于所研制的侧漏型光子晶体光纤, 提出并研制出一种Sagnac干涉仪型高灵敏度宽线性测量范围的弯曲传感器. 实验研究结果表明, 当侧漏型光子晶体光纤中的线性缺陷与弯曲方向一致时, 采用群双折射和波谷波长偏移量测量弯曲曲率均可获得高的弯曲灵敏度, 但线性测量范围小, 且不能进行小弯曲曲率的测量. 当线性缺陷与弯曲方向垂直时, 以波谷波长偏移量进行弯曲曲率检测, 可获得10.798 nm/m^-1高灵敏度的同时且可实现0–5.03 m^-1的宽线性测量范围, 结合测量矩阵的引入可实现温度和弯曲曲率的同时测量, 进而剔除环境温度变化对弯曲曲率检测的干扰, 实现了高灵敏度宽线性范围的弯曲传感; 而以群双折射进行弯曲曲率检测, 虽然检测灵敏度较低, 但可实现对环境温度不敏感的弯曲传感. 关键词： 弯曲传感器 侧漏型光子晶体光纤 高灵敏度 宽线性范围     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

少模光纤的弯曲损耗研究

随着光纤通信容量的不断增加, 基于少模光纤的模分复用技术由于其多信道复用、 高频谱效率及低非线性效应成为目前提高光纤通信容量的研究热点. 本文推导得到了适用于少模光纤中高阶模式弯曲损耗的计算公式, 系统研究了下陷层辅助弯曲不敏感抛物线型少模光纤的主要参数(包括芯层半径、芯层到下陷层距离、下陷层宽度及下陷层折射率差)对其弯曲损耗特性的影响. 研究表明: 对于少模光纤, 模式阶数越高, 光纤的弯曲敏感性越高; 随纤芯与下陷层间距离的变化, 光纤各阶模式的弯曲损耗均存在一个最小值. 本文结论对弯曲不敏感少模光纤的设计、制造及少模光纤弯曲性能优化具有指导意义.     

Intensity curvature sensor based on photonic crystal fiber with three coupled cores

An intensity curvature sensor using a Photonic Crystal Fiber (PCF) with three coupled cores is proposed. The three cores were aligned and there was an air hole between each two consecutive cores. The fiber had a low air filling fraction, which means that the cores remain coupled in the wavelength region studied. Due to this coupling, interference is obtained in the fiber output even if just a single core is illuminated. A configuration using reflection interrogation, which used a section fiber with 0.13 m as the sensing head, was characterized for curvature sensing. When the fiber is bended along the plane of the cores, one of the lateral cores will be stretched and the other compressed. This changes the coupling coefficient between the three cores, changing the output optical power intensity. The sensitivity of the sensing head was strongly dependent on the direction of bending, having its maximum when the bending direction was along the plane of the cores. A maximum curvature sensitivity of 2.0 dB/m⁻¹ was demonstrated between 0 m and 2.8 m.     

Biconical-taper-assisted fiber interferometer with modes coupling enhancement for high-sensitive curvature measurement

A modal interferometer based on multimode–singlemode–multimode fiber structure built with a biconical taper for fiber curvature measurement is proposed and experimentally demonstrated. Due to the tapered singlemode fiber acting as a high-efficient mode power converter to enhance the modes coupling, curvature sensor with improved sensitivity is achieved by monitoring the defined fringe visibility of the interference spectrum. The measuring range can be tuned by changing the waist diameter of the fiber taper. Meanwhile, the sensor shows an intrinsic ability to overcome the influence of temperature cross-sensitivity and the power fluctuation of light source. The advantages of easy fabrication, high-quality spectrum with improved sensitivity, and small hysteresis will provide great potential for practical applications of the sensor.     

四芯光纤弯曲传感器

提出了一种新颖的基于四芯光纤的弯曲传感器,可用于弯曲测量。该传感器采用一段四芯光纤作为敏感单元,四芯光纤的四个纤芯作为一个四光束干涉仪,在光纤出射端远场形成周期分布的干涉格子。该四光束干涉仪的干涉相位差是光纤弯曲曲率半径的函数,因而,弯曲曲率半径的变化可导致格子光场的移动。波长为650 nm的低相干半导体激光二级管被用来做为光源,所形成的干涉格子光场由CCD探测器记录。理论上,建立了远场格子图案强度分布函数与曲率半径的关系,并得到了实验的验证。