基于多模-细芯-多模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验研究

介绍了一种基于纤芯失配的光纤Mach-Zehnder干涉(MZI)液体温度传感器。并对所制作的传感器进行了环境溶液温度响应特性实验研究,实验结果表明干涉谱峰值波长漂移量与溶液温度变化量之间存在良好的线性关系,当环境溶液温度变化范围在26~90℃时,传感器相应灵敏度为42.6pm/℃,线性度为0.994,且该传感器能够很好的消弱环境液体折射率变化对干涉谱峰值波长的影响,溶液折射率在1.345~1.403变化范围时,灵敏度仅为0.247 nm/RIU。     

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.     

磁性液体薄膜的折射率在外加磁场作用下的变化特性研究

用两块玻璃夹持一层几个μm厚的磁性液体薄膜.将这一磁性液体薄膜垂直放置于由亥姆霍兹线圈建立的均匀磁场中.在迈克尔孙干涉仪上用对比测量法测量在不同外加磁场强度作用下磁性液体薄膜的折射率.实验发现, 磁性液体薄膜的折射率随外加磁场强度的变化而变化.结合实验研究, 提出了外加磁场改变了磁性液体颗粒链的大小, 改变了磁性颗粒链的大小和入射光波波长的比值, 从而改变了磁性液体的折射率的设想.初步建立起了磁性液体薄膜的折射率和外加磁场强度之间的关联式.为磁场测量、光学阀门等新型磁光器件的开发提供了新的技术.     

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     

基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究

提出并制备了一种基于Mach-Zehnder干涉效应的高灵敏度光纤液体折射率传感器.分别利用NaCl溶液和甘油溶液,研究了传感器的透射光谱和外界介质折射率的关系.实验结果表明,随着周围介质折射率的增大,传感器干涉谱的极小值点对应的波长向长波方向漂移,在1.333~1.356的折射率变化范围内,极小值点对应的波长的漂移量和折射率的变化具有较好的线性关系,对应的灵敏度约为4 086 nm/refractive-index.该传感器制作简单、结构紧凑,在生物和化学测量中具有较好的应用前景.     

迈克尔逊干涉仪测量液体的折射率及仪器调节方法

本文介绍了用迈克逊干涉仪测量液体折射率的方法，原理简单。在干涉仪导轨上平放一方形玻璃容器，内装待测液体，动镜铅垂地浸没在液体中。通过测出动镜在液体内的移动量及其相应的干涉条纹变化数，就能计算液体的折射率，有较高的测量精度。本文详细分析了干涉仪上分光板的反射光通过空气、玻璃、液体，由反射镜反射后出现的多个反射光点，只有通过对这些反射光点的调节，才能得出干涉条纹并符合计算公式的要求。     

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。     

全内反射型光子晶体光纤横向负荷及扭曲特性研究

用M-Z干涉仪的精确干涉特性来测量光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)横向负荷特性及扭曲特性,并应用等效折射率模型对其做了简单的理论分析.实验结果表明:光纤M-Z干涉仪传感臂(即PCF臂)受到外界应力作用时,在固定输入光波长处,PCF的有效折射率n会随外界应力的变化有规律的变化,在横向负荷实验和扭曲实验中表现为干涉条纹的相位与外界应力的变化呈近似线性变化;在横向负荷实验中干涉条纹幅值随所加负载的变化呈近似三角函数变化.     

带微通道的新型光纤法布里-珀罗折射率传感器

报道了一种新型结构的光纤法布里-珀罗(F-P)折射率传感器。使用腐蚀工艺在切割好的掺铒光纤端面制作一个封闭的微槽,然后与一段单模光纤熔接形成封闭的F-P腔。腐蚀产生的微槽底部是一个凹谷,靠近凹谷切割并研磨产生一个微通道,同时光束也能够返回并不损坏F-P干涉仪,利用毛细作用液体可进入F-P腔。根据F-P干涉原理,传感头反射光谱的波谷波长与腔内折射率成线性关系。实验表明当折射率在1.3333～1.3899内变化时,线性度为0.9996,灵敏度为1068 nm/RIU(refractive index unit)。该传感器为全光纤结构,具有体积小、结构稳定、精度高、耐腐蚀等特点,适用于液体和气体折射率的微型化测量。     

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。     

编码板照相干涉法

通常光学干涉仪是基于双(多)光束干涉原理,而全息干涉仪是基于两次曝光的全息图再现时的衍射干涉效应,都应用了光波干涉原理.它们的测量是以波长为尺度的,因此对于强变化位相体本身的位相变化是无能为力的.本文提出一种不同于位相相干的方法,即非相干光的编码板照相剪切干涉法.     

平行光束入射双棱镜的干涉研究

本文理论推导出了两相干平行光束在交叉区域的干涉条纹计算公式,测量两相干平行光束的夹角和干涉条纹的间距可以得到入射光波波长的结论.利用多光束光纤激光器作为光源,在分光计上放置双棱镜获得两相干平行光束进行实验.结合电荷耦合器件(CCD)和液晶显示器,用望远镜的自准直目镜测量两相干平行光束的夹角,用测微目镜测量干涉条纹的间距.提高了实验数据的精确度,降低了实验的难度,实现了对传统双棱镜干涉实验的拓展创新.     

功能型液体折射率与温度双参量光纤传感教学实验

设计了光电专业光纤传感单参量测量向双参量升级的简易实验方案,采用宽带掺铒光纤放大器作为光源,光纤双锥马赫-曾德尔干涉仪结合光纤布拉格光栅作为液体折射率与温度双参量传感器,光谱仪测量特征波长变化用于待测量解调.经测试,功能型液体折射率与温度双参量光纤传感系统的折射率传感灵敏度为-34.663nm/RIU,温度传感灵敏度为10pm/℃.     

“干涉逼近法”测量液体折射率

提出了一种高精度测量液体折射率的新方法一“干涉逼近法”.这种方法可以在测量过程中监视被测液体温度不均匀性给测量带来的误差.由于受温度测量的限制,其测量液体折射率的不确定度在1×10~(-6)到4×10~(-5)(2σ)之间,具体值取决于液体折射率的温度系数.     

基于马赫-曾德干涉仪的色散转折效应及其传感性能模拟研究

设计了工作在近红外波段的硅基马赫-曾德尔干涉仪(MZI)折射率传感器。理论和仿真模拟分析表明,通过改变MZI的结构参数可以对输出干涉谱的色散转折特性进行调控,经过优化后色散转折点(DTP)所对应的波长可以调至近红外波段(1550 nm),通过改变MZI周围的环境折射率(SRI)可以使折射率灵敏度达到37500 nm/RIU。由于DTP两侧的干涉条纹对外界折射率响应有相反的特性,将干涉波谷的相对漂移量作为检测对象,能够将灵敏度提高2倍,即75000 nm/RIU。不同于常规基于光栅和波导耦合构架的DTP传感器,所设计的DTP结构中两个干涉模式互不相关且均可独立调控,并可根据需要灵活调控色散转折波长。     

测量葡萄糖浓度的光学低相干干涉法

根据溶液中溶质的浓度变化将引起溶液折射率变化的特性,提出一种利用光学低相干干涉技术通过测量葡萄糖溶液的折射率来确定其浓度的方法。基于迈克尔逊干涉仪,建立了低相干光葡萄糖浓度检测系统,通过调节可移动角镜以产生干涉信号,根据角镜的位移量计算出光程,并进而求出折射率。实验结果表明:在LED光源光谱半高宽度为25nm,可移动角镜的移动步长为微米量级时,利用该方法对折射率的测量精度可以达到10-4数量级以上,对应的可以检测出低于100mg/d L的葡萄糖的浓度变化。过程方便快捷,受外界限制因素小,是一种有效的测量各种液体折射率及浓度的方法。     

温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响

利用气体折射率与压力之间的关系,可采用激光干涉仪对气体动态压力进行非接触测量,研究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。通过量子力学角度对气体状态方程进行维里展开,建立气体压力与折射率的模型,基于Edlen经验公式进行最新修正,探究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。结果表明,在低压范围内静态压力一定时,-20～80℃范围内温度变化与气体折射率成反比,折射率的改变量约为10~(-6)/℃,每1℃的温度变化相当于产生311.47Pa压力,温度改变对气体低压测量影响较大,应保证测量范围内温度控制优于±0.05℃,才能满足激光干涉法测量气体动态压力的要求。     

基于F-P干涉仪溶液浓度微变量实时监测系统的研究

设计了一款基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪监测溶液浓度微小变化量的传感装置.利用光纤传输激光并用分体CCD采集图像,实现对溶液浓度的高精度微变化量的实时监控和测量.从理论上分析了F-P干涉仪干涉条纹的改变数目Δk与溶液浓度微变化量Δc(Δk)之间的关系,采用平面F-P干涉仪实现高精度测量溶液浓度微变化量的原理和可行性.在实验上构建了由He-Ne激光器、石英光纤、平面F-P干涉容器腔、面阵分体CCD、计算机等组成的实验监控与测量装置,对三组不同浓度的甘油溶液进行测量,通过观察干涉条纹的改变数目测定溶液浓度的改变量,用实验结果标定溶液浓度微变化量Δc(Δk)与干涉条纹改变数目Δk之间的数学解析式.实验结果表明:采用该系统可以监测到10-4量级的溶液浓度的变化值.     

基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究

提出并制备了一种基于Mach-Zehnder干涉效应的高灵敏度光纤液体折射率传感器.分别利用NaCl溶液和甘油溶液,研究了传感器的透射光谱和外界介质折射率的关系.实验结果表明,随着周围介质折射率的增大,传感器干涉谱的极小值点对应的波长向长波方向漂移,在1.333～1.356的折射率变化范围内,极小值点对应的波长的漂移量和折射率的变化具有较好的线性关系,对应的灵敏度约为4 086nm/refractive-index.该传感器制作简单、结构紧凑,在生物和化学测量中具有较好的应用前景.     

基于PASCO平台的透明材料折射率的测量

将迈克耳孙干涉仪和PASCO实验平台相结合,设计了一种高精度、高效率测量透明材料折射率的方法.首先分析PASCO迈克耳孙干涉仪测量材料折射率的原理,然后利用高性能PASCO传感器和计算机对干涉条纹进行图像采集和数据处理,得到待测透明材料的折射率信息.最后对材料折射率的不确定度进行探究.实验结果表明,旋转角度θ对折射率的不确定度影响最大,厚度d次之,干涉条纹计数K影响最小.PASCO实验平台配合迈克耳孙干涉仪可以准确、高效的记录干涉条纹在"吞吐"时光强的变化,降低条纹计数测量的不确定度,从而提高透明材料折射率的计算精度.同时该方法还可用于和透明材料折射率相关的其他特性的测量.