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.     

基于熔融拉锥技术的双折射晶体包层型光纤偏振器的研究

建立简单模型,推导了晶体包层型光纤偏振器消光比的表达式,分析了消光比随锥腰直径和晶体包层长度的变化关系。兼顾锥腰光纤强度要求,对偏振器制作参数进行优化分析,并进行相应的实验研究。实验结果表明选择合适参数制作的偏振器,消光比优于30 dB,损耗小于0.5 dB,在-50 ℃~+70 ℃温度范围内消光比变化小于1.5 dB,损耗变化小于0.5 dB,具有很好的温度性能和稳定性     

FP腔与MZI级联的三参量同时测量的光纤传感器

制作了敏感材料修饰的拉锥光纤与微腔级联的多参量光纤传感器,并用实验研究了其应变、温度和湿度特性。所提微腔由飞秒激光划线放电形成,并对其进行拉锥。传感器的反射光谱干涉峰对应变的变化敏感,实验结果表明应变灵敏度为4.8 pm/με。然而,该结构对温度与湿度均不敏感,在该结构的锥部涂覆了掺入石墨烯量子点的聚乙烯醇之后,温度和湿度的灵敏度明显提升,此时最大温度灵敏度为20.4 pm/℃,最大相对湿度灵敏度最大为14.6 pm/%。对Dip1、Dip2、Dip3进行分析,再利用三阶矩阵消除交叉敏感,能够同时测量应变、温度和湿度。     

基于探针结构的光纤挥发性有机物传感器

为了实现在狭窄环境中对挥发性有机物进行有效探测,本文提出了一种基于探针结构的光纤挥发性有机物传感器。该传感器是由一段单模光纤与一段长度约为130μm的空芯光纤相连,其中空芯光纤内嵌厚度约15μm的聚二甲基硅氧烷薄膜,通过组合最终得到的传感器的尺寸仅为150μm。单模光纤、空芯光纤和聚二甲基硅氧烷薄膜一起组成法布里-珀罗腔干涉仪。聚二甲基硅氧烷薄膜吸收挥发性有机物气体时会引起其自身的体积膨胀使得法布里-珀罗的腔长发生变化从而导致干涉波长发生漂移。实验结果表明：首先,所提出基于探针结构的光纤挥发性有机物传感器在0～9000 ppm异丙醇浓度测量范围内的灵敏度为2.0 pm/ppm,当光谱仪的最小分辨率为0.02 nm时,传感器对挥发性有机物的检测下限为10 ppm。其次,该传感器还表现出较好的稳定性和重复性,在30 min的稳定性测试实验中,该传感器的实际测量误差范围为±30 ppm,说明具有较好的稳定性。三次重复性实验也验证了该传感器具有较好的重复性。最后,该传感器的响应时间小于42 s,说明具有较快的响应速度。总体来说,该传感器在检测挥发性有机物方面具有较高的灵敏度和较低的检测下限,具...     

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。     

基于耦合锥结构的光纤超声传感器优化设计

为了进一步提高耦合锥结构光纤超声传感器的整体性能,使其更好地服务于光纤超声无损检测,用有限元分析法仿真分析了耦合锥体材料参数对传感器响应灵敏度的影响。以此为依据挑选出4种超声聚能效果优越的锥体材料,并计算出与其匹配的最佳响应锥尖角度,优化设计了4款基于74°铝锥、30°有机玻璃锥、130°聚苯乙烯锥、126°天然橡胶锥的光纤超声传感器。实验结果表明,这4款传感器均能够有效检测频率为1 MHz的超声波信号,相比现有的传感器在响应灵敏度方面有较大提升,可以有效改善传感器的传感性能;且结构更小巧轻便,能够应用的场合更广泛。     

S型光纤锥的研究进展

随着新型微加工工艺的发展,传统的锥型光纤发展派生出数千种不同的微结构光纤.其中,S型光纤锥由于其体积小、质量轻、抗电磁干扰以及可以直接嵌入结构化系统的灵活性得到了迅猛地发展.随着对S型光纤锥研究的深入,基于S锥的各种结构和功能的光纤传感器不断地被提出,用于测量温度、应变、折射率、湿度和磁场等,不仅丰富了光纤传感器的种类,更加深了人们对传感机理的认识.本文全面回顾了S型光纤锥的研究进展,包括传感原理、制备方法、各种传感结构组合以及传感应用等,并对其发展进行了展望.     

基于光纤过耦合器结构的温度应变传感器

从微纳光纤耦合的角度,采用单模光纤2×2耦合的方式,利用光纤过耦合设计出一种光纤传感器.通过改变光纤耦合器的拉锥参数使其达到过耦合状态,此时光纤自身的过耦合结构受环境影响导致光波长会对外界的温度和应变变化有较高的响应度,以此来实现对温度和应变的测量.实验中分别拉锥了过耦合长度为22000μm和22500μm的光纤过耦合...     

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.     

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.     

聚酰亚胺涂覆的光纤宏弯温度传感器

为了提高光纤宏弯温度传感器的性能,提出了一种基于聚酰亚胺(PI)涂覆的新颖光纤宏弯温度传感器。利用基于纤芯-包层-无限涂覆层结构的光纤弯曲损耗-温度测量方法确定了传感器的光纤弯曲半径,将PI薄膜涂覆在1060-XP光纤包层外获得了新型的光纤宏弯温度传感器。该传感器的温度传感实验结果表明,PI涂覆不仅能提升光纤的机械性能和耐热性,还可实现温度灵敏度和温度测量分辨能力的显著提高。该新颖的光纤宏弯温度传感器可实现-20～100℃的宽温测量范围,温度灵敏度为0.072 dB/℃,分辨能力为0.14℃。与其他光纤宏弯温度传感器相比,所设计的传感器的温度传感性能显著提高。     

全光纤型微环谐振器的研制

环形谐振器因体积小、功能强、结构简洁等优点长期以来一直在光无源、有源器件的设计和制作中发挥着重要的作用。对光纤的弯曲损耗特性进行了深入分析,指出只有采用微细光纤才能降低全光纤法所制作的环形谐振器的尺寸,加宽器件的自由光谱范围(FSR)获得更好的精细度和品质因子。然后,在改进熔融拉锥技术的同时,保持慢变、绝热条件拉制出在80 mm长度范围内具有良好均匀性、半径为5μm的高质量微细光纤,在此基础上采用自缠绕法研制出半径仅为500μm,谐振效果明显加强的全光纤型微环谐振器,从而很好地解决了集成型微环谐振器较高的弯曲损耗和连接损耗问题。     

双S型光纤结构的传感特性

在剥除涂覆层的单模光纤上熔成两个间距为25mm的S型结构,构成双S型全光纤马赫-曾德干涉仪.入射光经过第一个S型结构时部分光被激发到包层,经过第二个S型结构时重新进入纤芯传播,S型结构中光纤的纤芯模和包层模耦合产生干涉.利用干涉光谱测量外界因素的响应并用于温度、折射率和微位移的测量.实验结果表明,温度、折射率和微位移的灵敏度分别为69pm/℃,132.64nm/RIU,-178pm/μm,且具有很好的线性度.该传感结构为全光纤结构,制作简单,易于实现且成本低.     

新型高掺Tm3+石英光纤制备及2.0μm激光性能研究

稀土掺杂石英光纤具有物化性能稳定、机械强度高、易于系统集成等优点，是目前光纤激光器最核心的增益介质，但其稀土掺杂浓度一般较低(<2%)。利用溶胶凝胶法和高温烧结工艺制备了Tm³⁺掺杂浓度为8.29×10²⁰ cm^-3的高硅氧玻璃，并表征了其光谱性能。采用溶胶镀膜和二次熔融拉锥方法制备了芯径约为4μm、外径为125μm的石英光纤，其可与商用无源光纤进行熔接。利用全光纤化线性腔结构，以制备的不同长度掺Tm³⁺石英光纤作为增益介质，均可实现1947 nm激光输出，光信噪比约为70 dB；当光纤长度为4.6 cm时，斜率效率高达14.1%；同时搭建了掺铥光纤放大器，测得光纤小信号净增益系数为0.48 dB/cm。研究结果表明，该新型光纤制备方法可为高浓度掺铥石英光纤提供新途径，有望推动其在2.0μm单频及高重频锁模光纤激光器中的应用。     

基于下陷内包层设计的大芯径掺氟光纤表征及性能

采用体式显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱表征了不同氟浓度、波导结构条件下光纤预制棒锥区及光纤的表面形貌与微观结构,用光纤综合参数分析仪、自制输出激光刀头分析了大芯径掺氟包层光纤的损耗、激光传输效率.结果表明:随着氟含量的升高,氟挥发现象愈加明显,传统大芯径掺氟包层光纤表面产生的裂纹、凹坑等缺陷增多,光纤损耗略有增加,激光传输效率下降;采用下陷掺氟内包层设计有效抑制了大芯径掺氟包层光纤制备过程中的氟挥发、析晶现象,1 200nm波段光纤损耗为3.99dB/km,平形和球形光纤2μm波段的激光传输效率分别达到88.9%和88.4%,性能明显高于传统结构光纤.     

保偏光纤熔锥区的传输特性分析

建立了保偏光纤熔锥区截面的有限元模型,基于热-结构-电磁多物理场耦合有限元方法,分析了保偏光纤熔锥区的传输特性.给出了热应力导致的保偏光纤应力双折射及折射率变化曲线;分析了随着拉伸长度的增加,传输模式的转换以及传播常量的变化;分析了随着芯径的减小,应力区对电磁场分布的影响.     

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。     

基于拉锥结构的全光纤型内窥OCT探针研究

本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 μm, 不锈钢保护管外径为325 μm, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 μm. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.     

基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder温度传感特性研究

提出并设计了基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder干涉结构,并对其温度传感特性进行了研究。通过将两支分光比为50∶50的1×2端口光纤耦合器相对熔接,构建光纤Mach-Zehnder干涉结构,采用单模光纤作为干涉结构的参考臂。基于侧面研磨技术在3m长纤芯/包层尺寸为9/125μm的单模光纤上进行抛光,抛光时长为5h,制备了研磨长度为20mm、深度为50μm的光泄露窗作为干涉结构的传感臂,提高传感器的灵敏度。采用宽带光源对Mach-Zehnder干涉结构的透射光谱进行测试,干涉周期为0.66nm。实验中对传感结构进行了温度测试及分析,选取波谷位置为1551.48nm作为测试点。在25～60℃的升温范围内干涉条纹向长波方向移动3.97nm,传感器的温度灵敏度为115.4pm/℃。不同温度下对应波谷的波长位移量与外界温度呈现良好的线性关系,线性度为0.9940,功率漂移小于1.66dB,具有较好的功率稳定性。