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     

使用硅橡胶涂敷的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的压力传感研究

用硅橡胶对Mach-Zehnder干涉仪的传感臂进行涂敷,可以增加干涉仪压力传感的灵敏度.实验中分别使用宽带和窄带光源,借助光谱仪和光功率计观测干涉谱波长改变和光谱峰值功率变化,对微小压力进行了测量.当压力改变为1.03×10－4 MPa时,波长改变约0.02 nm,系统传感灵敏度为1.96×10－4 nm/Pa,是涂敷前的2.15倍.     

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.     

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.     

基于平面膜片的光纤光栅传感研究

提出了一种基于平面膜片的光纤光栅压强传感器.讨论了该传感器反射谱展宽、峰值波长变化与压强之间的关系.指出将光纤光栅沿径向粘贴在膜片中心附近时,反射谱的峰值波长与压强之间具有良好的线性关系,可以通过检测峰值波长来检测压强.该传感器的压强响应灵敏度系数的实验值为0.3964 nm/MPa,是裸光纤光栅压强灵敏度系数的132.1倍.该传感器的灵敏度系数与压强测量范围可以通过改变膜片的尺寸、材料的弹性模量、泊松比等参量来调节.     

基于LiNbO_3的长周期波导光栅可调谐耦合器的设计

设计了一种基于LiNbO_3的长周期波导光栅可调谐耦合器.该耦合器利用长周期光栅的独有特性将输入波导的导模经包层模耦合至输出波导导模.由于LiNbO_3的电光效应,波导光栅芯层与包层的有效折射率随外加电压变化,从而耦合器的谐振波长及耦合效率可由外加电压调谐.分析了光栅周期与耦合器的长度对耦合器带宽和耦合效率调谐范围的影响,以及波导尺寸对谐振波长调谐灵敏度的影响.结果表明光栅周期越短,耦合器长度越长,则耦合器的带宽越窄,耦合效率调谐范围也越大.此外,谐振波长调谐灵敏度随波导宽度的增加而减小,而波导厚度对谐振波长调谐灵敏度的影响可以忽略.对光栅周期为94μm、长度为3.52cm的耦合器进行仿真,结果表明,谐振波长灵敏度为26.2pm/V,3dB带宽可达4.5nm,当外加电压从0变化到200V时,谐振波长变化5.24nm,耦合效率可在1到0.15之间进行调谐.     

高频CO2激光脉冲写入的相移长周期光纤光栅

运用矩阵传输法，并结合长周期光纤光栅的模式耦合理论，阐述了相移长周期光纤光栅传输光谱的形成原理.利用高频CO2激光脉冲制作出相移长周期光纤光栅.该方法仅需用计算机绘制光栅结构图形，再由计算机依照此图形控制CO2激光器对普通光纤曝光，就可自动完成光纤光栅的制作.实际制造出一条相移长周期光纤光栅，在1520~1570 nm和1610~1670 nm波长范围内分别呈现出相移图样，相移波段的通带中心波长分别为1546 nm和1640 nm.对光栅进行温度测试，观测1610~1670 nm范围内相移光谱的变化，发现相移光栅的通带及阻带中心波长具有相同的温度变化系数，其数值为0.064 nm/℃，另外又测试了光栅的应变特性，灵敏度约为－0.51 nm/mε.因此在利用光栅温度特性或应变特性做传感的过程中，可以仅测试通带中心波长的变化，实现低成本多样化的测量手段.     

单轴晶体包层啁啾光纤光栅中电光效应和弹光效应的理论研究

提出了以单轴晶体材料为包层,光轴平行于光栅主轴(z轴)的新型啁啾光纤光栅模型,应用耦合模理论和传输矩阵方法在理论上分析了该类光纤光栅中的电光效应和弹光效应,理论研究发现在包层施加沿光栅轴向的电场和应变场可以改变布拉格波长和反射谱。得到了3种不同单轴晶体为包层时布拉格波长λB和反射光谱随外加电场和应变场变化的曲线。研究结果表明当轴向外加电场从1×107V/m变化到8×107V/m时λB减小0.12nm,当外加应变场从0变化到0.04时,λB减小0.45nm。     

二维点缺陷正方光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对由Al₂O₃介质棒在空气背景介质中构成含有点缺陷的二维正方光子晶体微腔结构进行研究,计算得出缺陷态能带以及缺陷态模场分布。缺陷模对应的电磁波波长为470~476nm。对该微腔结构的品质因数的求解,得出缺陷态光谱曲线。在光谱曲线中,随着传输波长的增大,将产生几个峰值,并且在475nm处的波动最为明显,反映出在475nm附近的电磁波段在缺陷处的光强较大。进一步利用全矢量等效折射率法研究该结构缺陷模频率的稳定性,得出等效折射率的变化曲线。从等效折射率变化曲线可以看出,当传输波长达到475nm时,该结构已经达到稳定传输的区域。含缺陷模的二维光子晶体微腔结构在光子晶体发光二极管以及高阈值半导体激光器等方面有着重要的应用价值。     

基于色散调谐宽带扫频光纤激光器及其在光纤光栅解调中的应用

报道了一种基于色散调谐技术的宽带扫频掺铒光纤激光器。通过在主动锁模光纤激光器腔内引入较大色散,利用锯齿波电信号调制电光调制器的调制频率,可以实现激光器扫频输出。应用扫频激光器可将光纤光栅反射中心波长的变化转变为时域上信号间隔变化,适用于光纤光栅传感解调。搭建了扫频光纤激光器,利用掺铒光纤作为增益介质,研究了扫频范围的影响因素。通过优化实验参数,实验得到的扫频带宽达到43 nm,接近增益带宽,扫频速度为50 Hz。利用搭建的扫频激光器进行了光纤光栅传感解调,灵敏度约为0.68 ms/nm,验证了解调原理。     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

开放式多通道多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器

基于多芯少模光纤结构特性,提出了一种具有开放式感知通道的多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器.建立了多芯少模光纤表面等离子体共振生物传感器的模型,利用有限元方法分析了纤芯气孔间距、膜层厚度、膜层材料以及不同传输模式对传感器性能的影响,并讨论了传感器多通道感知性能.仿真分析发现,纤芯气孔间距决定了倏逝波的耦合强度,材料特性和模式共同影响了表面等离子体共振峰的位置和灵敏度.经过计算可知:当单个凹槽传感通道上沉积100 nm铟锡氧化物薄膜,分析物折射率范围为1.33—1.39时, LP11ax模式对应的平均光谱灵敏度为12048 nm/RIU(其中RIU为折射率单位,即refractive index unit),最高灵敏度为20824.66 nm/RIU,最大折射率分辨率可达4.8×10~(–6) RIU;当光纤外围凹槽镀上不同厚度的金膜、银膜和铟锡氧化物膜时,既可以单独探测生物物质,也可以联合检测同一生物物质,实现了传感通道的控制灵活性和测试物质的多样性.     

基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器

可调谐激光器在光纤传感和光纤通信中有着广泛的应用，引起了人们的广泛重视。设计并搭建了基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器系统。通过FPGA设计的基于DDS (direct digital frequency synthesis)函数信号发生器与模拟放大电路结合产生的驱动电压，调节FFP-TF2腔长的变化，进而改变激光器的输出波长。该系统可以实现对FFP-TF2单点电压和扫描电压的驱动，从而激光器可以输出单波长激光和多波长扫描激光，在激光器输出波长1 532 nm~1 568 nm范围内，可以调节单波长输出，也可以调节多波长扫描范围，且两种模式可以切换使用。实验结果表明，激光器输出3 dB线宽基本保持在0.01 nm左右，激光器输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.934%，灵敏度为3.915 nm/V，而FFP-TF2输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.986%，灵敏度为4.021 nm/V，激光器输出中心波长相对FFP-TF2的误差为2.6%，说明该激光器系统输出波长具有线宽窄、稳定性好、灵活性高等优点。     

光纤耦合三角形金柱阵列的等离子体共振

为了满足表面等离子体传感器高灵敏度、高线性以及较大测量范围的需求,提出侧边抛磨光纤耦合的三角形纳米金柱阵列等离子体共振传感模型.用有限元法仿真得出侧边抛磨光纤倏逝场激发出三角形纳米金柱的三种等离子体共振模式,分别为传输等离子体、三角形纳米金柱的本征等离子体和柱间等离子体,在传感器透射谱中呈现三个共振波谷.本征等离子体和柱间等离子体均属于局域等离子体,所对应的共振波谷对外界环境折射率的灵敏度较低但具有很高的线性度.传输等离子体对应的波谷随折射率变化灵敏度很高且呈非线性关系,优化后三角形金柱阵列设计中,当折射率为1.38~1.42RIU时,灵敏度高达12 882nm/RIU.该传感结构集成了侧边抛磨光纤的强倏逝场,具有传输等离子体的高灵敏度、局域等离子体的高线性度和大测量动态范围等优点,有重要的研究意义和实用价值.     

具有内参考热补偿功能的三层膜结构微球腔折射率传感器

tBtB光学微腔在高灵敏度传感中有着重要的应用前景,而在传感中热漂移是制约其走向实用的重要因素.本文提出了一种镀有三层膜结构的微球腔,可以在实现高灵敏度折射率传感的同时,具备内参考热补偿功能.该结构由内到外分别涂覆折射率为高、低、高的薄膜,内外两高折射率层可以分别支持各自的回音壁模式,称之为内层模式和外层模式.研究了波导耦合的内外模式在折射率传感和温度传感应用的表现.结果表明,中间膜层厚度为550 nm时,内外模式的折射率灵敏度分别为0.0168和102.56 nm/RIU,温度灵敏度分别为–19.57和–28.98 pm/K.通过监测内外模式谐振波长的差值进行传感,对中间膜层厚度进行优化,=400 nm时,折射率灵敏度为75.219 nm/RIU,探测极限可以达到2.2×10~(–4) RIU,热漂移被减小到3.17 pm/K,极大地减小了热漂移对系统的影响.本研究可为微球腔折射率传感器的设计和改进提供指导.     

基于定向耦合的光子晶体光纤高灵敏度磁场和温度传感器

设计了一种新型光子晶体光纤(PCF)磁场和温度传感结构.在光子晶体光纤包层的一个空气孔中填充磁流体,形成定向耦合结构,检测结构的磁场和温度变化.利用全矢量有限元法(FEM)对该传感器特性进行了仿真研究.结果表明,该传感结构可以实现磁场范围为100~250Oe(1Oe=79.58A/m),温度范围为10~60℃的检测,在该范围内磁场和温度的灵敏度最高可达1.10nm/Oe和-3.86nm/℃.     

基于光子晶体波导结构的甲烷与温度双参量传感器设计

通过在完整三角晶格空气孔型光子晶体平板中引入两条空气槽型波导,并在槽型波导中引入折射率随甲烷气体浓度变化的敏感薄膜,设计并优化了一种甲烷与温度双参量传感器。建立光子晶体波导传感分析模型,利用平面波展开法、等效折射率方法、时域有限差分法对甲烷和温度的传感特性进行了理论分析。结果表明,两条传感通道的通带峰值中心波长会随甲烷气体浓度增加发生线性蓝移,而随温度增加出现线性红移。其中,通道1的甲烷传感灵敏度能达到0.012 nm,温度传感灵敏度达到1.69 nm/℃,通道2的甲烷传感灵敏度能达到0.010 8 nm,温度传感灵敏度达到1.66 nm/℃,同时结合双参数矩阵法正好能解决传感交叉敏感问题。     

基于光子晶体光纤交叉敏感分离的磁场温度传感研究

提出了一种基于定向耦合效应和表面等离子共振效应的交叉敏感分离的磁场温度传感结构.在光子晶体光纤的一个特定空气孔中填充磁流体,利用磁流体的磁光效应和定向耦合效应形成磁场传感通道;在垂直方向的另一空气孔的内壁镀金纳米薄膜并填充甲苯液体,利用甲苯的温敏效应和表面等离子共振效应形成温度传感通道.对应输出谱出现两个损耗峰,测量损耗峰位置可以间接测出磁场强度和温度变化.通过理论计算()和结构优化,在90—270 Oe1 Oe=10~3/(4π) A/m范围内,磁场强度的灵敏度最高可达1.16 nm/Oe;在25—60?C范围内,温度的灵敏度可达-9.07 nm/?C.虽然填充的两种液体的折射率都受环境温度的影响,但通过建立灵敏度系数矩阵,可以消除磁场强度与温度的交叉敏感,实现磁场温度双参量的高灵敏度检测.     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.