基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器

提出了一种基于倏逝波原理的光纤马赫-曾德尔湿度传感器,传感器是在2个单模光纤粗锥的传感臂中心通过绝热火焰熔融拉锥处理而成。光由传感器输入端传入,经过第1个粗锥时,将激发出若干高阶模,各模式光传输经过细锥区进入第2个粗锥时被耦合进入传感器输出端。当外界湿度变化时,细锥区倏逝场随之变化,最终导致透射谱能量变化。通过测量透射谱能量变化,可以实现环境湿度传感测量。实验结果表明,在35%~85%RH的湿度变化范围内,透射谱的能量具有相同变化趋势,处于水蒸气吸收峰附近的干涉谷湿度响应灵敏度可达0.157 dBm/%RH,温度交叉灵敏度仅为0.014 %RH/ ℃。该传感器因其制作简单、灵敏度高,温度交叉敏感小等特点,具有很好的应用前景。     

基于PDMS材料的Sagnac干涉光纤挥发性有机物传感器

在一段8cm长的保偏光纤两端分别熔接两段普通的单模光纤,在保偏光纤的侧面均匀地镀上一层聚二甲基硅氧烷材料,聚二甲基硅氧烷材料经该段保偏光纤接入到一个光纤耦合器中,从而形成一个光纤Sagnac干涉仪.聚二甲基硅氧烷材料吸附挥发性有机物分子时,会引起聚二甲基硅氧烷材料体积上的膨胀,导致Sagnac干涉波长的漂移,通过对Sagnac干涉光波长漂移的测量即可实现对挥发性有机物气体的检测.实验测量了传感器对挥发性有机物浓度的响应,结果表明,在0~6 000ppm浓度范围内,传感器的灵敏度为1.03pm/ppm,由光谱仪的最小分辨率为0.02nm可知,该传感器对挥发性有机物的检测下限约为19.4ppm.该传感器相比聚二甲基硅氧烷材料与光纤光栅结合的传感器,灵敏度提高了4 300倍.     

熔融拉锥型光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪传感特性EI北大核心CSCD

基于熔融拉锥型光子晶体光纤（PCF）的马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪是在一段实芯PCF两端分别熔接单模光纤后进行熔融拉锥制作而成的,该传感器透射光谱的干涉条纹对比度可达2．23dB。利用该传感器实现了对不同质量浓度氯化钠溶液传输光谱的检测,研究了其传输光谱与外界折射率的响应关系。实验结果表明,在折射率变化范围为1．333-1．349时,该传感器对于不同质量浓度氯化钠溶液的折射率测量灵敏度为210．075nm／RIU在温度测量范围为20℃-70℃时,其温度灵敏度约为0．0018nm／℃,在测量中能够克服温度交叉敏感问题。     

基于光纤锥级联结构的湿度传感器

提出了一种基于普通单模光纤粗锥级联结构的马赫-曾德尔干涉湿度传感器.将两根单模光纤对芯熔融成一个粗锥,并依次级联,形成光纤锥-单模光纤-光纤锥-单模光纤-光纤锥结构.外界环境湿度、温度的改变使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,引起传感器干涉光谱发生变化.通过监测干涉谱波长和能量的变化实现对外界物理量的测量.实验结果表明,当空气中湿度在35~95%RH范围内变化时,传感器的湿度灵敏度为-0.065dB/%RH,线性度为0.997;当温度在30~80℃范围内变化时传感器的温度灵敏度为69.4pm/℃,线性度为0.998.该传感器可以避免温湿度的交叉影响,实现单参量的同时在线区分测量.     

对称熔融拉锥型光纤光栅温度和应力传感特性

锥形结构的光纤光栅具有对应力敏感而对温度不敏感的特性,这可以有效抑制温度与应力的交叉敏感问题.提出一种利用熔融拉锥技术实现对称双锥形结构的光纤光栅,结合传输矩阵法建立其传感特性理论模型并加以分析.首先研究影响啁啾系数变化的因素,得到啁啾系数与光栅长度变化量的关系;其次对对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱特性进行分析,讨论光谱短波长处出现密集调制现象的成因;然后仿真研究温度和应力对对称熔融拉锥型光纤光栅的反射谱影响,得到对应的中心波长和光谱宽度的变化关系.并针对应力灵敏度较低问题,提出聚合物涂覆锥区增大传感锥区光纤半径差而进行增敏的方案,利用熔融拉锥法制备对称熔融型光纤光栅,通过实验验证理论仿真的正确性,对称熔融拉锥型光纤光栅应力灵敏度为0.11391 nm/N.研究表明,对称熔融拉锥型光纤光栅的啁啾系数与光栅长度变化量满足线性关系.对称熔融拉锥型光纤光栅端处光栅周期较小,且反射率小于1,左边透射光与右边反射光会产生干涉,因此光谱短波长处会出现密集调制现象.随着轴向应力的增大,光栅反射中心波长向长波方向移动,光谱宽度变大,且两者与轴向应力均满足线性关系;随着温度升高,反射谱峰中心波长向长波方向移动,满足线性关系,而温度对光谱宽度的影响可忽略不计.通过增大传感锥区光纤光栅半径差,光纤光栅的应力灵敏度较之前提高了数百倍,并且增大光栅长度变化量有助于进一步提高应力灵敏度.对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱宽度只对应力敏感而对温度不敏感,这一特性可用于实现温度与应力双参量测量.     

基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.     

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.     

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.     

基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器

介绍了一种简单且灵敏度较高的Mach-Zehnder干涉湿度传感器.将单模光纤和多模光纤渐变熔接光纤锥,色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间,形成了单模光纤-光纤锥-多模渐变光纤-色散补偿光纤-多模渐变光纤-光纤锥-单模光纤结构的传感器.光纤锥起到了增加包层模能量的作用,两个多模渐变光纤节点作为光耦合器,从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪.外界环境湿度的变化,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实现对湿度的测量.实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度之间存在良好的线性关系.当环境湿度在35%RH—85%RH范围内变化,一段由20 mm色散补偿光纤组成的传感器,其灵敏度为-0.0668 dB/%RH,相关度为0.995.该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单,这使其可以被广泛用于湿度测量.     

基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器

为了提高温度传感器的灵敏度,本文提出了基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器。该传感器通过熔融拉锥光敏光纤得到微纳光纤,用毛细管封装后填充高热光系数氮化硼分散液,并用紫外胶封装防止氮化硼挥发。当微纳光纤直径越小时,倏逝场越强,与外界环境的相互作用也会增强,但在灵敏度与稳定性之间平衡折中,实验中选择直径为12.3μm的微纳光纤。氮化硼分散液随温度变化折射率变化大,即对温度变化更敏感,通过传输光谱的漂移来检测温度响应。实验结果表明,随着温度的升高,透射光谱向波长更短的方向移动。无纳米材料封装的温度传感器灵敏度为-0.0297 nm/℃,氮化硼分散液封装之后灵敏度最高可达-0.2878 nm/℃,大约为无纳米材料封装传感器灵敏度的十倍左右。氮化硼分散液的浓度对实验温度灵敏度的影响十分微弱。该传感器具有结构小巧轻便,成本低,机械性高等优势,而且纳米材料封装可保护微纳光纤免受环境变化造成的形变以及外界杂质对传感部分的污染,保证实验的准确性。该传感器在温度传感领域具有重大发展潜力。     

模间干涉的包层腐蚀型椭芯保偏光纤折射率传感特性

研究了一种基于模间干涉原理的微型椭芯保偏光纤的折射率传感特性。利用氢氟酸腐蚀的方法将椭芯保偏光纤制作成折射率灵敏的传感头,传感头可以根据控制腐蚀时间灵活控制其锥区结构。详细分析了保偏光纤内基模与一阶高次模模间干涉产生的双边瓣能量分布与被测折射率的关系,深入研究了锥区半径、工作波长对折射率灵敏度的影响。研究结果表明,光源波长为980 nm,折射率在1.39附近时,半径为8μm的传感头折射率灵敏度能够达到-7.1/RIU(即归一化光强与RIU之比,其中RIU为单位折射率)。     

宽带保偏光纤耦合器的研究

保偏光纤耦合器在军事领域和民用市场应用广泛,但是常规保偏光纤耦合器的带宽较窄,不可能完全满足多种光源的使用要求。为了达到更多用户的使用要求,需要研制一种宽带保偏光纤耦合器。根据熔融拉锥型宽带光纤耦合器的原理和光纤电磁理论,对熔融拉锥的工艺进行了改进,结合多年的保偏光纤耦合器的制造经验,并根据试验事实,实现了常规熔融拉锥型宽带保偏光纤耦合器的制作,对产品进行了测试,带宽参数能够满足多种光源的使用要求,完成了预期研究目标。     

高灵敏度光纤应变传感器

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程,获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉,导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱,通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量,在0~500 με的测量范围内,该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感,应变灵敏度高,同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。     

用于光纤光栅解调的波长敏感光纤耦合器

为了拓宽光纤耦合器的使用范围,开发光纤耦合器的新功能,采用熔锥技术制作波长敏感耦合器,该耦合器在分光的同时对波长敏感。通过耦合理论验证实验结果,实验数据与理论值相符合。实验中得到波长灵敏度最大值为17.86%/nm的耦合器。采用拉锥工艺制作波长敏感耦合器工艺简单,耦合比峰值对应波长控制易于实现。该耦合器可用于光纤光栅布拉格波长漂移解调。令待解调光纤光栅布拉格波长与耦合器波长灵敏度最大值对应的波长一致,当波长发生漂移时,耦合器输出耦合比发生变化。自制的波长敏感耦合器实现了对布拉格波长为1566.71 nm光纤光栅波长漂移的解调,波长漂移1.80 nm,耦合比变化20.34%。此种解调方式具有光路简单,易于与光纤匹配的优点,可以应用在大型建筑中光纤光栅的健康监测。     

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.     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

光纤陀螺用小尺寸高温度稳定性保偏光纤耦合器的研制

在熔融拉锥法制备保偏光纤耦合器工艺基础上,对小尺寸、高温度稳定性保偏光纤耦合器的研制工艺进行了研究.采用小火焰设计有效缩短了耦合器的封装尺寸,保偏光纤耦合器几何尺寸达到Φ3 mm×30 mm.通过不同封装工艺的实验,实现了具有高温度稳定特性的保偏光纤耦合器,器件在全温变化范围(－40℃～60℃)内分光比变化量小于2%,串音变化量小于3 dB.     

基于锥形探头光纤表面等离子共振传感性能优化

为提高系统的测量范围、灵敏度与线性度,利用拉锥光纤替代均匀光纤,进行表面等离子共振光纤传感器性能优化研究.通过大功率激光熔融拉锥工艺,结合圆环靶磁控溅射制备了锥形光纤等离子共振探头;利用光纤光谱仪,在1.33-1.43RIU折射率变化范围内,以探头的表面等离子共振吸收谱对称性、吸收谱半高全宽的稳定性,以及探头共振吸收波长分辨率为指标,进行探头性能测试与筛选;利用筛选出的探头,基于调频光谱原理构建闭环检测系统;在相同检测对象与检测环境条件下,以阿贝折射率仪测量结果为参照,对均匀探头与锥形探头的检测结果进行比较.结果表明,在1.33-1.43RIU范围内,相对于均匀光纤探头0.00032RIU的测量准确度、2 600nm/RIU的波长分辨率,锥形探头可在较大折射率变化范围内,以较好的线性度,实现0.00003RIU测量灵敏度和约4 500nm/RIU的波长分辨率.     

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。     

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。