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。     

基于无芯-少模-无芯光纤结构的温度传感特性研究北大核心CSCD

提出了一种基于无芯-少模-无芯光纤结构的温度传感器,对传感器进行了理论分析和实验研究。该传感器将无芯光纤(coreless fiber,CLF)与少模光纤(few-mode fiber,FMF)同轴熔接,构建无芯-少模-无芯的光纤结构,结构两端熔接单模(single mode fiber,SMF)光纤作为输入输出光纤,第1段无芯光纤与单模光纤的模式失配起到激发高阶模的作用,少模光纤中的LP01与LP11两种模式沿少模光纤纤芯传输,在第2段无芯光纤的作用下LP01与LP11两种模式重新耦合回单模光纤,LP01与LP11两种模式发生干涉,形成干涉光谱。当外界温度变化时,两种模式的光程差发生变化,干涉光谱的干涉波谷发生漂移,选取2个不同的干涉波谷作为特征波长,进行实验分析。实验结果表明:波长在1550 nm和1534 nm附近的干涉谷均发生红移,相应的温度灵敏度分别为68 pm/℃和44.5 pm/℃。该传感结构制作简单、灵敏度高,有很好的应用前景。     

基于酒精与磁流体填充的单模-空芯-单模光纤结构温度磁场双参数传感器

提出了一种基于空芯光纤模间干涉原理的环境温度和磁场双参数传感器,为了使光入射进空芯光纤壁中,将空芯光纤与单模光纤错位熔接,传感部分用毛细玻璃管封装,空芯光纤内外分别填充酒精和磁流体.除了光纤材料的热光效应和热膨胀效应外,环境温度变化会引起两种溶液折射率的变化,而磁场变化仅引起空芯光纤外的磁流体折射率变化.理论计算可知空芯光纤壁中可支持多个模式传输并相互干涉,各模式传输相位对内外溶液折射率变化灵敏程度不同.因此,干涉谱中两个含有不同模式成分的波谷,即波谷1和波谷2,它们的漂移可以作为指示信号,通过建立敏感矩阵可同时解调出周围环境温度与磁场的变化.实验中,在28—58℃范围内,温度传感灵敏度可达-468 pm/℃;在0—169 Oe范围内磁场传感灵敏度可达82 pm/Oe.该传感器具有高灵敏度与高机械强度,并且能够实现温度与磁场的同时测量,有效消除了温度波动对磁场测量信号的干扰.     

组合光纤中受激拉曼散射和四波混频研究

在抽运光和耦合条件不变的情况下,研究了熔接组合的非零色散位移单模光纤(NZDSF)和标准单模光纤(SMF)中的受激拉曼散射(SRS)和四波混频(FWM)产生和传输特征。采用532 nm脉冲激光抽运NZDSF,从20 m处开始产生以LP₀₁模传输的SRS第一级Stokes光;紧接着在30 m处产生了FWM,SRS受到FWM抑制,传输模式逐渐转化为LP₁₁模;经过80 m处熔接点后,由于熔接处双锥光纤结构使光场模式互相干涉,光波模式恢复为LP₀₁模,FWM受到抑制。该现象和机理有利于抑制密集波分复用(DWDM)系统中光学非线性失真和促进光孤子通信系统的发展。     

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。     

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.     

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LP_(01)和LP_(11)模式干涉的少模光纤温度传感器

提出了一种基于LP01和LP11模式干涉的少模光纤温度传感器,利用单模光纤(SMF)和少模光纤(FMF)在入射端偏芯熔接、出射端对准熔接制作而成。利用标量法对FMF建立理论模型,通过光场的电磁边界连续条件推导出了FMF的特征方程,并通过对特征方程数值求解详细分析了FMF中的传输模式;通过有限元分析软件对上述理论模型仿真计算,验证了理论计算结果的正确性;利用制作的传感器进行温度传感实验,并对不同温度下的传输光谱进行傅里叶变换,对参与干涉的两种模式进行了分析。根据光纤的热光效应,建立温度传感模型,分析计算该传感器的温度灵敏度,实验结果与理论计算一致。利用上述特性制作的传感器进行温度测量,当温度发生变化时,干涉峰发生漂移,在25.3~77.3℃范围内,传感器长度为16mm时,温度灵敏度为158.06pm/℃。该传感器能广泛应用于工业生产、生物医学等领域的温度测量。     

少模光纤模式反射迈克尔孙干涉仪及其游标增敏应用

提出了一种少模光纤迈克尔孙干涉仪（MI）级联法布里-珀罗干涉仪（FPI）的游标增敏折射率传感器。少模光纤MI用作参考干涉仪,开放腔FPI作为传感干涉仪,解决了传统双FPI传感器的参考干涉仪制备复杂、可控性差的问题。仿真研究了单模-少模光纤错位量对少模光纤模式激发效率的影响,以及少模光纤长度对增敏倍数的影响。基于仿真优化参数制备了少模光纤MI-FPI传感器,并测试了其折射率响应特性,分析了增敏极限及限制因素。该传感器在1.3384～1.3412的折射率范围内的折射率灵敏度达到12466.956 nm/RIU（灵敏度单位）,相对于无MI级联的单个FPI传感器提升了12.29倍,放大倍数可基于少模光纤长度灵活控制。该方法使传感器的增敏效果显著、增敏倍数可控、制备方法简单且光谱稳定性好,在折射率传感领域具有潜在的应用价值。     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

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.     

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.     

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/℃。     

Simultaneous measurement of refractive index and temperature using dual-period grapefruit microstructured fiber grating

By cascading the long period fiber grating (LPFG) and fiber Bragg grating (FBG) in grapefruit microstructured fiber, a novel dual-period fiber grating sensor is proposed. The refractive index and temperature are measured simultaneously by using the different sensitivity of FBG and LPFG. The relationship between dual-period fiber grating transmission spectrum and refractive index, resonant wavelengths and temperature are analyzed theoretically, respectively. The simulation results show that the accuracy of the sensor in measuring refractive index and temperature is estimated to be 2319.6 nm/RIU in a range from 1.33 to 1.36 and 0.017 nm/°C from 0 °C to 100 °C, respectively. Thus, the sensor has high refractive index sensitivity, and can provide the theoretical foundation for the optical fiber biosensor.     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

Highly sensitive miniature photonic crystal fiber refractive index sensor based on mode field excitation

A highly sensitive miniature photonic crystal fiber refractive index sensor based on field mode excitation is presented. The sensor is fabricated by melting one end of a photonic crystal fiber into a rounded tip and splicing and collapsing the other end with a single-mode fiber. The rounded tip is able to induce cladding mode excitation, which resulted in an additional phase delay. Linear response of 262.28 nm/refractive index unit in the refractive index range of 1.337 to 1.395 is obtained for the physical length of a 953 μm sensor. The sensor is also shown to be insensitive to environmental temperature.     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

可双参量同时测量的光纤磁场传感器

设计并制作了一种马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)与光纤布喇格光栅级联的光纤磁场传感器,其中MZI由相当于分光器的锥结构和相当于耦合器的花生锥结构级联组成,封装在填充了磁流体的毛细管中.由于磁流体的有效折射率会随着外界磁场强度的改变而变化,故可通过观察干涉谱的特征波长的变化来测量外界磁场强度,而光纤布喇格光栅透射峰对磁场强度不敏感.当磁场强度由0mT变化到20mT时,马赫-曾德尔干涉峰的灵敏度为0.11nm/mT.温度特性实验测得马赫-曾德尔干涉峰和光纤布喇格光栅透射峰的温度灵敏度分别为0.401 5nm/℃和0.011 4nm/℃.因此,可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.     

Photonic crystal fiber tip interferometer for refractive index sensing

In this paper we present an interferometer based on photonic crystal fiber (PCF) tip ended with a solid silica-sphere for refractive index sensing. The sensor is fabricated by splicing one end of the holey PCF to a single mode fiber (SMF) and applying arc at the other end to form a solid sphere. The sensor has been experimentally tested for refractive index and temperature sensing by monitoring its wavelength shift. Measurement results show that the sensor has the resolution of the order of 8.7×10(-4) over the refractive index range of 1.33-1.40, and temperature sensitivity of the order of 10 pm/°C in the range of 20-100 °C.