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。     

光纤锥在线型马赫-曾德干涉仪的折射率传感特性

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫-曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥,光纤锥的直径为43.7μm,长度为480μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器,激发出光纤高阶模,并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差,将导致干涉仪的传输光谱发生漂移,从而实现传感测量.实验结果表明:当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时,传感器的折射率灵敏度为-128.233nm/RIU;当水溶液的温度变化范围为30~75℃时,传感器的温度灵敏度为0.111nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点,可应用于生物传感测量.     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

基于偏芯熔接光纤的应力与折射率传感器

基于偏芯熔接技术构建了一种新型马赫-曾德尔干涉(MZI)原理的应力与折射率光纤传感器。该传感器是由一段单模光纤的两端实施偏芯熔接而成。利用光纤包层模、纤芯模对应力和折射率的敏感特性,实现对外界折射率和应力的测量。研究结果表明,施加轴向应力范围为0~500με时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1585nm附近干涉谷处的应力灵敏度约为-7.00pm/με;外界折射率在1.331~1.398RIU(RIU为单位折射率)范围时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1570nm附近干涉谷处的折射率灵敏度约为-55.223nm/RIU;且均具有良好的线性拟合效果。该传感器也可应用于温度等其他参数测量,具有非常广阔的应用前景。     

基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器

介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.351–1.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景. 关键词： 光纤气泡 纤芯失配 Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

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.     

基于光纤气泡级联的高灵敏度马赫曾德干涉液体折射率传感器

通过化学腐蚀方法制作了一种基于光纤气泡级联马赫曾德干涉液体折射率传感器.在细芯光纤两端熔接切割端面被腐蚀的单模光纤,构成气泡-细芯光纤-气泡结构,该结构中两个气泡耦合光场,细芯光纤作为传感臂,构成光纤马赫曾德干涉仪.对该传感器的干涉谱能量随折射率的变化规律进行了研究,结果表明:干涉谱的能量与环境折射率之间存在较好的线性关系,同时波长变化对环境折射率变化不敏感;当外界折射率变化范围在1.345~1.389时,传感器的灵敏度为-216.21dB/RIU.该传感器在生物化学领域有较好的应用前景.     

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.     

锥形三包层石英特种光纤折射率与温度传感器

提出了一种锥形三包层石英特种光纤(TTCQSF)的折射率与温度传感器。它是通过对2根单模光纤(SMF)之间熔接的三包层石英特种光纤(TCQSF)熔融拉锥得到的SMF-TTCQSF-SMF级联结构,形成了光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。由于TTCQSF纤芯模和包层模之间的光程差会随着外界环境的变化而改变,从而引起传感器干涉谱的变化,因此可以通过检测传感光谱的变化实现对外界物理量的测量。分别对该传感器进行折射率和温度传感实验,实验结果表明,当溶液折射率在1.3350~1.3466范围、温度在25.7℃~94.9℃范围内时,随着折射率和温度的增加,传感器的传输光谱分别出现红移和蓝移现象,其折射率灵敏度和温度灵敏度分别为1673.94 nm/RIU和-0.061 nm/℃,且均具有很好的线性度,其中RIU为单位折射率。该传感器制作简单、灵敏度高,在生物化学、工业生产的折射率和温度测量场合具有较好的应用前景。     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

Liquid refractive index sensor with three-cascaded microchannels in single-mode fiber fabricated by femtosecond laser-induced water breakdown

Liquid refractive index sensor with three-cascaded microchannels in single-mode fiber was fabricated by femtosecond laser-induced water breakdown. When the liquid is filled in three microchannels across the fiber core, the transmission spectrum of the sensor shows interference peaks. The refractive index of liquid can be sensed accurately based on both the wavelength shift and loss change of interference peaks. The refractive index sensitivities of wavelength shift and loss change reach to as high as ?2,406.1 nm/RIU and ?156.8 dB/RIU, respectively. The sensor is insensitive to the refractive index change of liquid caused by environmental temperature. It can be used for liquid refractive index sensing with high sensitivity, especially for water pollution monitoring.     

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。     

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。     

晶格旋转光子晶体Mach-Zehnder干涉结构传感特性

基于光子晶体的自准直效应,利用在同一背景折射率下不同介质柱的等效折射率的不同,提出了一种基于晶格旋转的二维光子晶体Mach-Zehnder干涉仪折射率传感器。分别应用线缺陷和空气平板波导构成其分束镜和全反镜,并在其中一个干涉臂上设置传感区域。通过改变填充到传感区域溶液的浓度,改变介质柱的折射率,进而影响透射谱的中心波长,从而建立起溶液浓度和透射波长之间的数学关系;并进行了酒精溶液浓度测量的数值模拟,结果表明,该传感器在1.33~1.37折射率变化范围内灵敏度为250nm/RIU。     

Highly Sensitive Temperature Fiber Sensor Based on Mach-Zehnder Interferometer

We propose a highly sensitive temperature fiber sensor based on a Mach-Zehnder Interferometer (MZI). The MZI is composed of a piece of no-core fiber (NCF), a single-mode fiber (SMF), and a fiber taper (FT) structure. To accomplish high sensitivity, the component was immersed in a material with high thermo-optic coefficient (TOC). The experimental results showed that a high temperature sensitivity of 1.56 nm/°C was achieved for surrounding material with a refractive index (RI) of 1.45. The presented sensor has numerous advantages, for instance, extremely high sensitivity, easy fabrication, simple structure, compact size, and in-line applications.