基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

侧边抛磨光纤的光谱调制型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振传感是基于光学消逝波与金属表面等离子体波共振的一种高灵敏度、快速、无标记的测量方式。光纤的表面等离子体共振传感具有在线测量、体积小、抗电磁干扰等优点。为提高折射率传感灵敏度,采用轮式侧边抛磨法抛磨掉多模光纤的全部包层和部分纤芯,并采用溅射法在光纤抛磨区先镀高折射率的铬层然后镀金膜,制作了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器。研究结果表明:该传感器可实现液体折射率在1.333~1.431RIU范围的测试,平均光谱灵敏度为4.11×103 nm·RIU-1,在1.417~1.431RIU折射率范围内光谱灵敏度达1.09×104 nm·RIU-1,折射率测量范围和光谱灵敏度均优于已报道的结果。此外,该传感器具有良好的稳定性与重复性实验测试,最小分辨率约为3.6×10-5 RIU。该传感器光谱灵敏度高、检测范围大、尺寸小及良好的稳定性与重复性等优点,可被用于食品检测、环境监测、生物医学检测等相关领域。     

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。     

基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振低折射率传感器

为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚(麻醉剂重要成分)等物质的折射率检测,拓展折射率检测范围,提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成,通过对光纤抛磨,最外侧大空气孔直接与待测物质接触,实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析,结果表明,在1.12～1.37折射率范围内,传感器的共振波长位于中红外区域2 505～3 181nm,最高灵敏度为12 000nm/RIU,分辨率为8.33×10-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测,并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度,在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.     

基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论,分析了U型光纤传感器的传感原理,指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器,把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中,研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0mm时,传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象;当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时,光谱损耗峰波长发生红移,且弯曲半径越大,折射率传感灵敏度越高;在曲率半径为5mm时灵敏度为207nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220nm/RIU(折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例,当曲率半径为4mm时,损耗峰半高宽最小达3.2nm.综合半高宽和灵敏度两个参量,得出曲率半径4.5mm的U型光纤传感器品质因素最高,分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2RIU-1(折射率1.40~1.42RIU),可直接由SM-28单模光纤制成,且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理,具有很好的应用前景.     

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.     

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/℃.     

基于表面等离子体共振的4杆悬浮芯光纤折射率传感仿真分析

设计了一种小芯径的4杆悬浮芯光纤折射率检测传感器,并针对这种光纤模拟了三种不同的抛磨结构。通过在开放式的气孔中涂覆金膜来激发表面等离子体共振效应。采用有限元方法（FEM）分析了开放式悬浮芯光纤的表面等离子体传感特性,并研究了传感金属层和悬浮杆厚度对传感效果的影响。单孔抛磨结构和相对两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.42,最大灵敏度分别为15000 nm/RIU（refractive index unit）和16000 nm/RIU,分辨率分别为6.7×10^-6 RIU和6.25×10^-6 RIU。相邻两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.40,最大灵敏度可达20000 nm/RIU,分辨率可达5.0×10^-6 RIU。此传感器在测量高折射率物质方面具有很好的性能,便于制备,将来有广阔的市场应用前景。     

基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器

为了实现液体折射率的高灵敏度测量,提出并制备了一种基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器.该传感器由法布里-珀罗传感腔和法布里-珀罗参考腔并联构成,其中,传感腔为开放腔,由单模光纤错位熔接制得,参考腔为封闭腔,由单模光纤与空芯光纤熔接制得.传感腔和参考腔的自由光谱范围相近,但不相等,双腔反射光经光纤耦合器后叠加产生游标效应,达到增敏的效果.实验结果表明,该传感器的折射率灵敏度约为9 048.78nm/RIU,约是单个传感腔的8倍.该传感器具有灵敏度高、结构简单、易于制备、成本低廉的优点,在生物医疗、环境检测等领域有潜在的应用前景.     

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.     

基于全相位滤波技术的光纤表面等离子体共振传感解调算法

基于生物样品检测对折射率传感的迫切需求,构建一种全光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)系统,并针对其设计了基于全相位滤波技术的SPR特征波长传感解调算法.基于系统仿真,理论计算了光纤SPR传感器的折射率传感灵敏度.采用全相位滤波技术提取光纤SPR传感器透射光谱的特征波长,理论推导了全相位滤波器的解析表达式.实验结果表明,使用本算法的光纤SPR传感器折射率传感灵敏度为1640.4 nm/RIU,折射率检测的分辨率是7.36×10~(-4)RIU,与传统方法相比,有效提高了系统的检测精度和抗光源扰动性能,降低了实验成本.     

基于光子晶体光纤法布里-珀罗干涉仪的温度自补偿折射率计

采用手动熔接实芯光子晶体光纤和普通单模光纤制作本征法布里-珀罗(Fabry-P6rot,F-P)干涉传感器的方法,提出了一种可实现温度自补偿的高灵敏度折射率计.理论与实验表明,新型F-P干涉传感器的对比度不受环境温度影响只随着外界折射率的变化而变化,当外界折射率在1.32～1.44范围内变化时,其折射率灵敏度约为4.59/RIU,分辨率约为2×10-5.此外,该传感器的腔长具有较高的温度灵敏度,在20～100℃范围内,其温度灵敏度为18.72 nm/℃.因此,可以通过同时监测该传感器对比度和腔长的变化就可以实现折射率和温度的同时测量,在实际工业应用中具有广泛的应用前景.     

基于偏芯熔接光纤的应力与折射率传感器

基于偏芯熔接技术构建了一种新型马赫-曾德尔干涉(MZI)原理的应力与折射率光纤传感器。该传感器是由一段单模光纤的两端实施偏芯熔接而成。利用光纤包层模、纤芯模对应力和折射率的敏感特性,实现对外界折射率和应力的测量。研究结果表明,施加轴向应力范围为0~500με时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1585nm附近干涉谷处的应力灵敏度约为-7.00pm/με;外界折射率在1.331~1.398RIU(RIU为单位折射率)范围时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1570nm附近干涉谷处的折射率灵敏度约为-55.223nm/RIU;且均具有良好的线性拟合效果。该传感器也可应用于温度等其他参数测量,具有非常广阔的应用前景。     

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/℃.     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

基于倏逝波谐振的空气栅光子晶体F-P腔折射率传感特性研究

基于倏逝波理论和光学谐振原理,研究了倏逝波在光子晶体中的存在形式及空气栅光子晶体F-P腔的折射率传感机理,并建立谐振波长与待测气体折射率的关系模型。当入射光以大于全反射临界角的角度入射到光子晶体中,由于倏逝波的作用,在中心介质层形成F-P腔并产生谐振,电磁场被局部增强,与待测气体充分作用,从而使该传感结构对待测气体的折射率具有较高的敏感性。利用传输矩阵理论进行数值模拟,结果表明,折射率传感的Q值可达3447.0,灵敏度可达1260.0 nm/RIU,证明该光子晶体F-P腔折射率传感结构具有很好的传感特性,可为高精度气体折射率传感器的设计与应用提供一定的理论参考。     

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。     

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。     

基于表面等离子体共振的新型超宽带微结构光纤传感器研究

基于表面等离子体共振的微结构光纤传感器具有高灵敏、免标记和实时监控等优点.如今,由于此类传感器广泛应用于食品安全控制、环境检测、生物分子分析物检测等诸多领域而受到大量研究.然而,目前所报道的绝大多数此类传感器只能应用于可见光或近中红外传感.因此,对可应用于中红外传感的表面等离子体共振微结构光纤传感器的研究是一项极具挑战性的工作.基于此,本文设计了一种可以工作在近红外和中红外区域的新型高灵敏表面等离子体共振微结构光纤传感器.传感器采用双芯单样品通道结构,该结构不仅可以消除相邻样品通道间的相互干扰和提高传感器的信噪比,还可以在超宽带波长范围内实现高灵敏检测.采用全矢量有限元法对其传感特性进行了系统的研究,研究结果表明:当待测样品折射率分布在1.423—1.513范围内时,传感器不仅可以在1.548—2.796μm的超宽带波长范围内进行工作,而且其平均灵敏度高达13964 nm/RIU.此外,传感器的最高波长灵敏度和折射率分辨率分别为17900 nm/RIU,5.59×10^–7 RIU.     

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.