光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析

理论上推导了光纤法布里-珀罗复合结构传感器的反射光谱条纹对比度与外界介质折射率的关系,并分析了实验参数对传感器灵敏度的影响.利用化学腐蚀渐变折射率多模光纤制作了光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器,空气中的条纹对比度可达30 dB以上,折射率测量的灵敏度达45 dB/RIU(refraction index unit,简RIU)以上.实验结果与理论符合很好.通过理论和实验分析,提出了进一步提高传感器灵敏度的方法. 关键词： 光纤传感器 法布里-珀罗复合结构 折射率测量 灵敏度     

在线型光纤法布里-珀罗折射率传感器及光谱分析方法研究

提出一种在线型光纤法布里-珀罗折射率传感器。传感器由空芯光子晶体光纤两端熔接单模光纤而成。理论分析并实验验证了其折射率传感特性。结果表明,干涉条纹对比度随溶液折射率的增加而减小,与理论模拟一致。提出利用标准差解调方法对干涉谱进行分析,标准差解调方法具有更好的线性度和准确性,可靠性更高,便于编程实现自动化、快速的数据分析和溶液折射率的实时检测。     

基于激光微加工的新型光纤法布里-珀罗折射率传感器

提出了一种新型的光纤法布里-珀罗(F-P)折射率传感器,该传感器由单模光纤头端面和靠近该端面的由157 nm激光加工而成的短空气腔构成.短空气腔两个端面的反射光和光纤头端面的反射光发生干涉形成了传感器的反射谱干涉条纹.干涉条纹的对比度受光纤头端面外部的折射率影响,在干涉条纹包络的波谷处具有最大的对比度,外部待测折射率可通过计算该处的对比度得到.传感器对温度不敏感同,测量范围广.在1.33至1.441范围内,折射率灵敏度约为27 dB,分辨率约为1.12X10-4;在1.45～1.62范围内.折射率灵敏度约为24 dB,分辨率约为1.26×10-4.     

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.     

光纤法布里-珀罗传感器阵列串扰抑制方法

本文提出了一种基于多波长平均的五步相移解调方案,解决非本征光纤法布里-珀罗（F-P）传感器阵列的串扰问题。以光纤F-P传感器的两基元并联复用系统为研究对象,探讨了基于五步相移解调方案的基本串扰理论以及多波长解调抑制串扰的具体方法。通过数值仿真研究了串扰与传感系统的消光比、平均波长数、波长间隔以及不同传感器基元腔长的关系,对单波长解调方案和多波长解调方案的串扰抑制效果进行了对比分析。结果表明,相较于单波长解调方案,多波长解调方案通过对多个连续工作点处的五步相移信号解调结果进行平均,降低了传感阵列的串扰。同时,该解调方案降低了对传感阵列光开关消光比和不同基元间腔长一致性的要求,有效推进了光纤F-P传感器阵列大规模复用的发展。     

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.     

基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器

本文介绍了一种高灵敏度光纤温度传感器.该传感器由一小段毛细管熔接于单模光纤和一段大模场光纤之间而构成串联的两个法布里-珀罗干涉仪.由于俩干涉仪具有相近的自由光谱区,因而它们的叠加光谱会产生游标效应.实验结果显示,利用游标效应解调,该传感器的温度灵敏度可从单一空气腔法布里-珀罗干涉仪的0.71 pm/℃提高到179.30 pm/℃.该传感器结构紧凑(1 mm)且灵敏度高,具有良好的应用前景.     

光纤光栅法布里-珀罗腔透射特性的理论研究

推导了光纤光栅法布里－珀罗腔强度透射率的解析表达式,理论上研究了这种腔的透射特性,并同普通法布里－珀罗腔做了比较;讨论了光纤光栅法布里 罗腔单模输出阈值腔长与光纤光栅长度和反射率之间的关系。     

用于灵巧结构的光纤法布里—珀罗传感器

简要介绍用于灵巧结构的各类光纤法布里－珀罗传感器的制作技术、系统结构及其在灵巧结构中的应用。     

光纤法布里-珀罗传感器的条纹计数法解调误差研究

为探究光纤法布里-珀罗传感器条纹计数法的解调准确度,对基于波峰波谷复合算法的条纹计数法的腔长解调误差及其影响因素进行了理论推导、仿真分析和实验验证.结果表明:光纤法布里-珀罗传感器干涉光谱的干涉级次及干涉级次差、波峰波谷的位置准确度是影响解调准确度的主要因素;干涉级次随腔长的变化导致腔长解调结果产生周期性跳动误差,跳动周期约为光源中心波长的1/4;周期性跳动误差的幅度受波峰波谷位置准确度的影响,波峰波谷位置准确度越低,周期性跳动误差幅度越大,腔长解调误差越大.     

利用全光纤干涉解调技术的光纤光栅复用传感系统

提出了一种用于光纤光栅传感波长检测的新方法。系统采用全光纤Mach Zehnder干涉仪,运用动态的自参考相位检测方式,结合微机实时处理技术,实现了对三点复用传感器的高分辨率(0.99pm)解调,单点测量范围达3.32nm。系统结构简单、成本低,可以同时检测静态和低频动态信号。     

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来发展方向进行了总结与展望。     

基于量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪的低频信号测量

利用低频光通信波段真空压缩态光场可实现基于光纤的量子精密测量.本文利用简并光学参量振荡器实验制备出1550 nm低频真空压缩态光场.在分析频段10—500 kHz范围内压缩态光场的压缩度均达3 dB.用实验制备的1550 nm真空压缩态光场填补光纤马赫-曾德尔干涉仪的真空通道,实现了量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪,完成了突破标准量子极限的相位调制频率为500 kHz的低频信号测量.与光纤马赫-曾德尔干涉仪相比,测量信噪比提高了2 dB.     

Refractive index sensor based on an abrupt taper Michelson interferometer in a single-mode fiber

A simple refractive index sensor based on a Michelson interferometer in a single-mode fiber is constructed and demonstrated. The sensor consists of a single symmetrically abrupt taper region in a short piece of single-mode fiber that is terminated by approximately 500 nm thick gold coating. The sensitivity of the new sensor is similar to that of a long-period-grating-type sensor, and its ease of fabrication offers a low-cost alternative to current sensing applications.     

Temperature-induced effect on refractive index of graphene based on coated in-fiber Mach-Zehnder interferometer

The temperature-induced complex refractive index(CRI) effect of graphene is demonstrated theoretically and experimentally based on a graphene coated in-fiber MZI(Mach-Zehnder interferometer). The relationships between real and imaginary parts of the graphene CRI and temperature are obtained through investigating the dip wavelength and intensity of the MZI interference spectrum changing with temperature, respectively. The temperature effect of CRI of the graphene is also analyzed theoretically. Both experimental and theoretical studies show that the real part and imaginary part of the CRI nonlinearly decrease and increase with temperature increasing, respectively. This graphene-coated in-fiber MZI structure also possesses the advantages of easy fabrication, miniaturization, low cost and robustness. It has potential applications in nanomaterial-based optic devices for communication and sensing.     

Optimal sensing of current based on an extrinsic Sagnac interferometer configuration

The theory and experimental verification of an optical current sensor based on an extrinsic Sagnac interferometer configuration is presented. Superior performance with regard to current sensitivity and input/output linearity, and simple installability of the sensor makes it very suitable for remote current sensing in power distribution applications.     

F-P标准具温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响

F-P标准具的特性易受温度影响,温度变化时,其透射峰会发生漂移,将其应用于光纤光栅波长解调时,温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度,并分别采用温度稳定性为1.5 GHz和3 GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明:光纤光栅传感器的中心波长不同,由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同;采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528 pm和0.676 pm,重复性误差最大值分别为1.77 pm和2.01 pm。     

基于Fabry-Perot模型设计亚波长金属狭缝阵列光学异常透射折射率传感器

研究了在水溶液环境中亚波长金属狭缝阵列光学异常透射的折射率传感特性.采用严格的全矢量方法计算了狭缝阵列的透过率谱.建立了Fabry-Perot半解析模型,能够精确预言全矢量方法的计算结果.基于该模型给出的共振条件,提出并解释了当透射峰精确位于瑞利异常位置时,透射峰能达到最尖锐的状态,给出了设计狭缝阵列达到该状态的方法.设计得到的透过率谱峰值半高宽δλ可达0.01 nm,对应的溶液折射率测量不确定度δn_s达到2×10^-6RIU.系统地给出了阵列周期、狭缝宽度、入射角等参数对设计得到的传感灵敏度,δλ,δn_s,峰值透过率等的影响.     

Temperature sensing using the spectral interference of polarization modes in a highly birefringent fiber

The spectral interference of polarization modes in a highly birefringent (HB) fiber to measure temperature is analyzed theoretically and experimentally. A tandem configuration of a birefringent delay line and a sensing HB fiber is considered and the spectral interferograms are modelled for the known birefringence dispersion of the HB fiber under test. As the delay line, a birefringent quartz crystal of a suitable thickness is employed to resolve a channeled spectrum. The channeled spectra are recorded for different temperatures and the polarimetric sensitivity to temperature, determined in the spectral range from 500 to 850 nm, is decreasing with wavelength. It is demonstrated that the temperature sensing is possible using the wavelength interrogation, i.e., the position of a given interference maximum is temperature dependent. The temperature sensitivity of the HB fiber under test is −0.25 nm/K and the resolution is better than 0.5 K.     

基于固体腔扫描法布里-珀罗干涉仪的大气温度绝对探测方法研究

大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一.目前,基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测,即温度反演时需要响应函数和校准程序.本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法.根据Rayleigh散射谱特点,针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半高全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计.利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息,并采用多项式插值方法获得拟合谱型,与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对,大气温度探测不确定度小于0.8 K.当信噪比为10时,白天与夜晚的探测距离分别为4.5和7.9 km.该方法可实现大气温度廓线的全天时和高精度绝对探测,并对同类高光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义,为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的分光系统解决方案.