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/℃。     

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。     

基于七芯光纤和少模光纤拼接结构的曲率传感测量

利用光纤在不同弯曲曲率下的不同形变,提出并验证了一种基于七芯光纤和少模光纤的新型光纤曲率传感器。分别制作了三种不同结构的传感器,利用快速傅里叶变换分析了它们的干涉模式,获得波长的传感灵敏度分别为6.33,30.83,15.96 nm/m,强度的传感灵敏度分别为8.57,25.65,1.96 dB/m。     

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.     

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。     

一种基于马赫-曾德干涉仪的全光纤传感器双参数测量技术

提出一种干涉式全光纤传感器,能够同时实现对折射率和轴向拉力或温度进行双参数测量。传感器由一个微腔和一个纤芯失配衰减器组成。其中微腔结构是由飞秒激光加工光纤纤芯形成,直径和深度分别是6μm和2.5μm。该干涉式传感器可以获得20dB的高品质干涉对比度。传感器透射谱波长为1496.68nm和1533.18nm的两个衰减峰对应的折射率灵敏度分别为-29.91nm/RIU和-16.72nm/RIU,拉力灵敏度分别为-1.55pm/με和-0.31pm/με。实验结果表明,传感器通过灵敏度矩阵可以同时测量折射率和轴向拉力或温度两个参数。     

一种基于马赫-曾德干涉仪的全光纤传感器双参数测量技术

提出一种干涉式全光纤传感器,能够同时实现对折射率和轴向拉力或温度进行双参数测量。传感器由一个微腔和一个纤芯失配衰减器组成。其中微腔结构是由飞秒激光加工光纤纤芯形成,直径和深度分别是6μm和2.5μm。该干涉式传感器可以获得20dB的高品质干涉对比度。传感器透射谱波长为1496.68nm和1533.18nm的两个衰减峰对应的折射率灵敏度分别为-29.91nm/RIU和-16.72nm/RIU,拉力灵敏度分别为-1.55pm/με和-0.31pm/με。实验结果表明,传感器通过灵敏度矩阵可以同时测量折射率和轴向拉力或温度两个参数。     

基于少模光纤组合传感器的温度及折射率传感特性研究

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性,提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪,再在FMF上刻制FBG,通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。首先分析了组合传感器的传感原理,由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变,从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动,因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量,实现对待测参数的测量。然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响, FMF越长,干涉光谱越明显,自由光谱范围FSR越小,为了便于观测组合传感器的整体光谱,最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。实验所用FMF可稳定传输LP_(01), LP_(11), LP_(21)和LP_(02)四种模式,通过对比分析不同模式间的干涉和耦合,确定此组合传感器的干涉光谱是由LP_(01)-LP_(11)干涉形成, FBG透射谱是由LP_(02)-LP_(02), LP_(11)-LP_(11), LP_(01)-LP_(02)和LP_(01)-LP_(01)耦合形成。最后进行温度和折射率的传感实验,结果表明,随着外界温度的升高, SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移,而FBG透射谱发生红移,其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃~(-1),线性度良好;将FMF包层直径腐蚀至22μm,在1.366～1.455的折射率变化范围内,组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动,灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU~(-1)。该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化,提高了检测准确度,减小测量过程中出现的偶然误差,结构简单新颖、灵敏度高、易于制备,且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性,使得传感变得更加灵活方便。     

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.     

Fiber-modes and fiber-anisotropy characterization using low-coherence interferometry

An optical low-coherence interferometry technique has been used to simultaneously resolve the mode profile and to measure the intermodal dispersion of guided modes of a few-mode fiber. Measurements are performed using short samples of fiber (about 50 cm). There is no need for a complex mode-conversion technique to reach a high interference visibility. Four LP mode groups of the few-mode fiber are resolved. Experimental results and numerical simulations show that the ellipticity of the fiber core leads to a distinct splitting of the degenerate high-order modes in group index. For the first time, to the best of our knowledge, it has been demonstrated that degenerate LP11 modes are much more sensitive to core shape variations than the fundamental modes and that intermodal dispersion of high-order degenerate modes can be used for characterizing the anisotropy of an optical waveguide.     

Axial strain and temperature sensing characteristics of the single–coreless–single mode fiber structure-based fiber ring laser

This paper experimentally demonstrated a singlemode–coreless–singlemode (SCS) fiber structure-based fiber ring cavity laser for strain and temperature measurement. The basis of the sensing system is the multimodal interference occurs in coreless fiber, and the transmission spectrum is sensitive to the ambient perturbation. In this sensing system, the SCS fiber structure not only acts as the sensing head of the sensor but also the band-pass filter of the ring laser. Blue shift with strain sensitivity of \(\sim\) ?2 pm/με ranging from 0 to 730 με and red shift with temperature sensitivity of \(\sim\) 11 pm/°C ranging from 5 to 75 °C have been achieved. Experimental results also show the proposal has great potential in using long-distance operation. The fiber ring laser sensing system has a optical signal to noise ratio (OSNR) more than 50 and 3 dB bandwidth less than 0.05 nm. The result shows that the coreless fiber has no improvement of the temperature and axial strain sensitivity. However, compared to the common singlemode–multimode–singlemode fiber structure sensors, the laser sensing system has the additional advantages of high OSNR, high intensity and narrow 3 dB bandwidth, and thus improves the accuracy.     

Propagating beam analysis of fiber wavelength filters with a depressed-index section

A wavelength filter consisting of single-mode and few-mode fibers is investigated numerically. A simple finite-difference beam-propagation method, in which a transparent boundary condition can be imposed, is developed for circularly symmetric waveguides. After confirming the validity of the numerical method by the mode-mismatch loss, we calculate the propagating field in the fiber wavelength filter, in which interference between LP₀₁, and LP₀₂ modes occurs. To improve the filtering operation, a depressed-index fiber is employed for the few-mode fiber. The effects of the radius and refractive index of the depressed section on the transmission power are revealed and discussed. Power is suppressed to less than 0.1% at 1.3 μm, while maintaining power transmission of more than 85% at 1.55 μm. It is also found that the filtering operation shifts to higher wavelengths as the input power is increased when we choose a self-focusing nonlinear material in the depressed section.     

基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器的设计及实验研究

提出了三种基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器. 根据模式匹配原理采用单模光纤与少模光纤熔融连接方式, 运用耦合模理论及光束传播法模拟分析了模式选择耦合器的结构参数对模式选择及耦合特性的影响, 实现了单模光纤中基模到少模光纤中不同阶模式的转换, 以满足不同的应用需求. 实验上以2× 2熔融光纤耦合器为例, 采用对称和非对称熔融拉锥方式, 分别实现了从基模到LP₁₁, LP₂₁模式的转换. 实验结果表明所得到的LP₁₁, LP₂₁模式在1530–1560 nm的波长带宽范围内均有较高的模式纯净度, 且模式耦合效率高于80%, 与理论模拟结果基本一致.     

Optical fiber curvature sensor based on few mode fiber

An optical fiber curvature sensor based on interference between LP₀₁–LP₀₂ modes of a circularly symmetric few mode fiber (FMF) is presented. The device consists of two single-mode fiber and a 10-cm FMF. The two single-mode fiber is offset-spliced to each end of the FMF. When the optical fiber is kept straight and fixed, the interference pattern appears in the transmitted spectrum. As the fiber device is bent, the visibility of the interference fringes (at 1530 nm) decreases, reaching values close to 0.3. The dynamic range of the device can be tailored by the proper selection of the length of FMF. The relationship between the fringe visibility and the curvature is linear while the curvature is between 11 m⁻¹ and 16 m⁻¹. The result indicates that the compact sensor can be used in the measurement of large curvature, which is also important in structural health monitoring.