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)。     

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.     

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。     

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。     

基于多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率同时测量的光纤传感器

利用偏芯熔接的方法,研制出一种可实现温度和折射率同时测量的光纤传感器。该传感器将一段多模光纤MMF2的左端与一芯径与长度均相同的多模光纤MMF1偏芯熔接,右端与一大芯径多模光纤MMF3对芯熔接构成传感头,利用多模光纤纤芯模和包层模对温度、折射率的敏感性差异,结合敏感矩阵实现了双参量同时测量。实验选取了位于1536.98nm和1545.24nm处的干涉谷进行了温度和折射率的测量,测得1536.98nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.105nm/℃,对折射率不敏感;1545.24nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.052nm/℃,对折射率的敏感性为32.2nm/RIU(RIU表示单位折射率)。该传感器也可应用于其他参量的测量,具有良好的应用前景。     

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.     

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。     

基于光纤气泡级联的高灵敏度马赫曾德干涉液体折射率传感器

通过化学腐蚀方法制作了一种基于光纤气泡级联马赫曾德干涉液体折射率传感器.在细芯光纤两端熔接切割端面被腐蚀的单模光纤,构成气泡-细芯光纤-气泡结构,该结构中两个气泡耦合光场,细芯光纤作为传感臂,构成光纤马赫曾德干涉仪.对该传感器的干涉谱能量随折射率的变化规律进行了研究,结果表明:干涉谱的能量与环境折射率之间存在较好的线性关系,同时波长变化对环境折射率变化不敏感;当外界折射率变化范围在1.345~1.389时,传感器的灵敏度为-216.21dB/RIU.该传感器在生物化学领域有较好的应用前景.     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

Temperature-independent refractometer based on fiber-optic Fabry–Perot interferometer

A miniature fiber-optic refractometer based on Fabry–Perot interferometer (FPI) has been proposed and experimentally demonstrated. The sensing head consists of a short section of photonics crystal fiber (PCF) spliced to a single mode fiber (SMF), in which the end-face of the PCF is etched to remove holey structure with hydrofluoric (HF) acid. A Fabry–Perot interference spectrum is achieved based on the reflections from the fusion splicing interface and the end-face of the core of PCF. The interference fringe is sensitive to the external refractive index (RI) with an intensity-referenced sensitivity of 358.27 dB/RIU ranging from 1.33 to 1.38. The sensor has also been implemented for the concentration measurement of λ-phage DNA solution. In addition, the dip intensity is insensitive to the ambient temperature variation, making it a good candidate for temperature-independent bio-sensing area.     

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/℃。     

Refractometer based on a tapered Mach–Zehnder interferometer with Peanut-Shape structure

A novel refractometer based on tapered Mach–Zehnder modal interferometer (MZI) is proposed and experimentally demonstrated. This sensor is composed of a pair of Peanut-Shape structures and an embedded taper – the former excites high-order cladding modes, while the latter enhances the evanescent field. As the effective refractive index (RI) of cladding is based on the changes of surrounding RI, thus extinction ratio will change due to the alteration of the distribution of power in the fiber which is induced by various differences of core and cladding for RI. As a result, the maximum RI sensitivity of 240.78 extinction ratio/RIU (refractive index unit) is achieved within the range from 1.3334 to 1.4081.     

Highly Sensitive Temperature Fiber Sensor Based on Mach-Zehnder Interferometer

We propose a highly sensitive temperature fiber sensor based on a Mach-Zehnder Interferometer (MZI). The MZI is composed of a piece of no-core fiber (NCF), a single-mode fiber (SMF), and a fiber taper (FT) structure. To accomplish high sensitivity, the component was immersed in a material with high thermo-optic coefficient (TOC). The experimental results showed that a high temperature sensitivity of 1.56 nm/°C was achieved for surrounding material with a refractive index (RI) of 1.45. The presented sensor has numerous advantages, for instance, extremely high sensitivity, easy fabrication, simple structure, compact size, and in-line applications.     

飞秒激光刻蚀非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪特性及其流体传感研究

实验发现,飞秒激光微加工光纤微腔时,两个侧壁与纤芯轴向并不完全垂直, 刻蚀的非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪出现光程差随波长增大而线性减小、 微腔总损耗随波长增大呈递减变化等反常现象.对此,提出非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder 干涉仪新模型并初步建立了分析理论,采用新模型及分析理论对新型微腔干涉仪特性进行了研究. 数值分析了微腔底角、深度等参数对谱峰波长位置的影响,理论研究了微腔的光波传输损耗、 吸收损耗、插入损耗、材料红外吸收损耗以及对干涉条纹对比度的影响, 理论分析与实验结果相符.实验获得水溶液干涉条纹对比度高达35 dB的非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪, 将新型光纤微腔干涉仪用于流体传感,其蔗糖水溶液折射率传感灵敏度高达-12937.31 nm/RIU.     

Hybrid Long-Period Fiber Grating with Multimode Fiber Core for Refractive Index Measurement

A refractive index(RI) sensor based on hybrid long-period fiber grating(LPFG) with multimode fiber core(MMFC) is proposed and demonstrated. The surrounding RI can be determined by monitoring the separation between the resonant wavelengths of the LPFG and MMFC since the resonant wavelengths of the LPFC and MMFC will shift in opposite directions when the surrounding RI changes. Fxperimental results show that the sensor possesses an enhanced sensitivity of 526.92 nm/RIU in the RI range of 1.387-1.394 RIU. The response to the temperature is also discussed.     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

Single S-tapered fiber Mach-Zehnder interferometers

A fiber Mach-Zehnder interferometer (MZI) sensor, novel to our knowledge, based on a single "S"-like fiber taper has been fabricated via applying nonaxial pull in fiber tapering by a fusion splicer. The typical feature size of the structure has a length of 660 μm and the axial offset of 96 μm. This S fiber taper MZI has a refractive index (RI) sensitivity of 1590 nm/refractive index unit in the RI range of 1.409-1.425 and a strain sensitivity of about -60 pm/microstrain, which is 30 times higher than that of the normal two-taper-based MZI sensors.     

Investigation on micro/nanofiber Bragg grating for refractive index sensing

We propose a refractometric sensor based on micro/nanofiber Bragg grating (MNFBG). The refractive index (RI) sensing performance dependence on the fiber radius and Bragg grating period of the sensor, as well as the temperature cross-sensitive effect, is investigated theoretically. The simulation results demonstrate that 400 nm-radius MNFBG has a linear response to RI ranging from 1.3 to 1.39 with a sensitivity as high as 992.7 nm/RIU and half temperature cross-sensitivity of normal FBG. A maximum sensitivity of up to 1200 nm/RIU and an outstanding RI resolution of 8.3 × 10^-6 can be achieved. MNFBG has high potential in various types of optical fiber sensor applications.