纳米光纤传感器

根据纳米光纤的倏逝波传输特性，提出将亚波长直径氧化硅纳米光纤用于光学传感器的研究设想。通过求解Maxwell方程，得到由于周围环境折射率变化而引起的光纤传导模的位相改变，并由此计算传感器的灵敏度。研究结果表明，使用纳米光纤研制传感器，可以获得比微米级光纤或波导传感器更小的结构尺寸和更高的灵敏度。     

均分直槽微结构光纤光栅磁场传感器

对微结构光纤磁场传感器的增敏性能进行研究, 设计了一种基于飞秒激光微加工的均分直槽型微结构光纤磁场传感器。 利用飞秒激光在刻有光纤布拉格光栅(FBG)的单模光纤(SMF)包层上刻蚀均分直槽微结构, 并采用HF溶液清除直槽内的残留碎屑和 应力集中点,随后用磁控溅射技术在加工部位溅射一层磁致伸缩薄膜TbDyFe。当外界磁 场强度变化时,通过观测传感器中心 波长的变化可实现对磁场强度的测量。直槽微结构能减小光纤横截面积,改善光纤轴向伸缩 性能,增大薄膜附着表面积,从而 提高传感器探头灵敏度。理论分析了直槽微结构提高传感器性能的工作原理,介绍了传 感器探头的制备工艺和性能影响因 素,给出了不同参数传感探头的磁场测试结果。实验结果表明,利用飞秒激光加工直槽微结 构能明显改善传感器探头灵敏度, 其中直槽个数对性能影响最为明显;相对于无微结构传感器探头,有微结构光纤探头灵敏度 最高可提升3.8倍。     

蓝宝石光纤光栅高温传感器研究进展与发展趋势(特邀)

在高速飞行器、航空发动机、核反应堆等国防安全和国民经济的重要领域,需要实现1800 ℃以上的高温原位测量。常规石英光纤传感器受限于材料特性,无法在1000 ℃以上高温环境中长期稳定使用。单晶蓝宝石光纤具有极高的熔点（2053 ℃）和较低的传输损耗,是一种良好的高温传感材料。在单晶蓝宝石光纤内部刻写布拉格光栅,可以研制出蓝宝石光纤光栅传感器,具有耐温性能好、测量精度高、便于多点测量等优点,是当前最具发展前景的新型高温传感器件。首先介绍了蓝宝石光纤光栅高温传感器的工作原理和理论模型,接着介绍了利用飞秒激光制备蓝宝石光纤光栅的三种主流技术,包括相位掩模板扫描法、双光束干涉法、直写法,并从制备效率、光谱质量等方面比较了三种技术的优劣,指出飞秒激光直写法是制备蓝宝石光纤光栅高温传感器的最佳手段;然后介绍了蓝宝石光纤光栅的光谱优化方法,包括如何减小光栅光谱带宽和如何降低光谱噪声;进一步介绍了蓝宝石光纤光栅的高温传感特性、封装工艺及高温温度、应变传感应用;最后展望了蓝宝石光纤光栅传感器的未来发展趋势。蓝宝石光纤光栅高温传感器的快速发展和大规模推广应用,必将有助于解决当前我国航空航天、核电等领域重大装备结构健康监测的卡脖子难题。     

基于飞秒激光直写的高折射率光纤光栅传感器

该文提出了一种基于飞秒激光直写的高灵敏度光纤光栅折射率传感器,同时测量了传感器的温度及轴向应变特性。采用波长为800 nm的飞秒激光刻写了周期为150μm,周期数为50,栅区长度为7.5 mm的长周期光栅。该传感器在折射率测量实验中的灵敏度最高可达1 605 nm/RIU,在30～330℃,温度灵敏度达到76.52 nm/℃,传感器的稳定性良好且对应变不敏感,鲁棒性优良。这种基于飞秒激光直写的长周期光纤光栅,其折射率灵敏度较高,耐高温,具有广泛的应用前景。     

光纤光栅激光器型传感器及其研究现状

光纤光栅是构成光纤激光器谐振腔的理想窄带反射元件,在光纤激光器中引入光纤光栅可以形成高灵敏度的光纤传感器。简要介绍光纤光栅激光器型传感器的工作原理、研发现状及潜在的应用领域。     

微悬臂梁结构氢气传感器的制作研究

提出了一种基于微悬臂梁结构的布拉格光栅氢气传感器,阐述了该类型传感器的工作原理及制作工艺流程,并利用MEMS技术制作了传感器样品,同时在-60℃~90℃、氢气浓度为0.5%~10%范围内对该传感器样品进行了测试。结果表明,在环境温度为25℃、氢气浓度为4%的情况下,当测试时间为30 min时,反射波长改变量可达0.15 nm;在10 s的快速反应测试中,反射波长改变量可达0.003 5 nm,能够满足实际应用要求。     

基于飞秒激光的光纤三维微结构制备研究

为适应新型光纤传感器件的需要,进行了飞秒激光在石英光纤材料上制备三维微结构的工艺探讨。实验结果表明,光纤的烧蚀阈值约为1.5 J/cm2,烧蚀孔的深度与能量对数基本上符合线性关系。在一定条件下,适当的增加激光能量有利于改善微孔的垂直度。理论分析了锥孔和直孔的成形机理,探讨了微孔内壁形貌的形成机制和加工过程中光纤背面出现的崩碎现象。采用适当的加工工艺,试制了光纤F-P腔、光纤端部悬臂梁等三维微结构。     

基于法拉第效应的双偏振光纤激光磁场传感器的纵向空间响应

利用法拉第效应,正交双偏振光纤激光器已被证明可用来实现灵活小巧的磁场传感器。为了发展适宜的封装结构以优化对磁场的传感灵敏度,有必要研究双偏振光纤激光磁场传感器在磁场中的空间响应特性。对长度为21 mm的光纤激光器在磁场宽度为3 mm、5 mm、7 mm以及磁场强度为0.5 T、 0.75 T和1 T时的纵向空间响应进行了实验研究。研究表明,沿着双偏振光纤激光磁场传感器的纵向,其各个部分对磁场的空间响应是不均匀的。该空间响应的峰值出现在激光腔的中间并沿激光器纵向呈对称的高斯分布。这种空间响应的分布特性与光纤光栅的分布式布拉格反射有关。     

Ni掺杂SnO2纳米棒的室温氢气敏感性能研究

氢气是一种理想的可再生清洁能源。利用快速灵敏、准确可靠的氢气传感器对环境中的氢气浓度进行实时监测,是保障氢能安全应用的关键。研制可在常温下快速准确运行的新型半导体氢气传感器是本领域研究人员关注的热点。本文采用一步水热法合成Ni掺杂SnO₂纳米棒,研究了Ni掺杂含量对产物物相、形貌、组分和氢敏性能的影响。结果表明,Ni掺杂SnO₂纳米棒为四方金红石结构,随着Ni/Sn原子百分比从1.1%提升至16.7%,纳米棒直径降低、长径比提升,对3000ppm氢气的响应度呈先增大后减小的趋势。当Ni/Sn原子百分比为3.7%时,所得氢敏元件性能最佳,其响应度和响应时间分别为79.11和71 s,且具有优异氢气选择性。Ni掺杂引起材料长径比和氧空位缺陷浓度增加是材料性能提升的主要原因,该方法可为开发高性能室温半导体氢气传感器提供可行途径。     

准确检测液相中氢气浓度的倾斜光纤光栅传感器

为了实现液相中氢气体积分数的准确检测,该文利用钯、氧化硅超疏水溶胶和倾斜光纤光栅制备了氢气传感器。首先,在倾斜光纤光栅表面采用磁控溅射法涂覆了一层致密的钯膜,用于响应氢气体积分数变化信息;然后,采用镀膜提拉法在钯膜表面涂覆一层氧化硅超疏水膜,用于阻止水分子进入钯膜内部,导致钯膜从光纤表面脱落,进而增强了传感器在液相环境下运行的稳定性。实验研究了钯膜厚度对传感器氢敏响应特性的影响,并利用传感器对液相中的氢气体积分数进行了检测。研究结果表明,传感器能准确响应液相中氢气体积分数的变化信息,当钯膜厚度为120 nm时,灵敏度达到-15.29 pm/%,最大相对误差为8.67%。     

基于TDLAS的纳米光纤甲烷传感器

展示一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的微型化纳米光纤甲烷传感器。在比尔-朗伯定律的基础上,选择1.6μm附近的甲烷吸收线,对分布式反馈半导体激光器（DFB-DL）进行波长调制,使用锁相放大器解调出二次谐波信号,建立一套完整的基于纳米光纤的TDLAS系统。使用该系统测量室温下不同入射功率和不同压强对二次谐波信号的影响,同时获得了该系统的压力展宽系数和压力频移系数,发现直径较小的纳米光纤可以对甲烷产生更强的吸收。所设计的纳米光纤传感器是一个在低功率条件下进行微量气体测量的有力工具,在气体种类分析和定量分析方面有着巨大的应用潜力。     

基于飞秒激光直写FBG的C+L波段掺铒光纤激光器

提出并设计了一种基于飞秒激光直写制备光纤布拉格光栅阵列的C+L波段掺铒光纤激光器,实现了波长可切换的单波长及双波长激光输出。采用飞秒激光透过聚酰亚胺光纤保护层在纤芯直写的方法,分别实现周期为538、542、547 nm的光纤布拉格光栅刻写,单个光栅栅区长度3 000 m。作为选频器件的光栅阵列反射波长分别为1 555.5、1 569.6、1 583.8 nm;选用长度为3 m的C波段和10 m的L波段掺铒光纤组合作为激光器增益介质,结合泵浦源、光纤布拉格光栅偏振控制器及宽带全反镜构成线形腔结构光纤激光器。实验结果表明:激光器工作阈值为35 mW,通过调节偏振控制器能够实现1 555.4、1 569、1 583.2 nm单波长激光可切换输出,激光3 dB线宽0.05 nm,边模抑制比大于35 dB;实验中分别对单波长激光的光谱稳定性进行了测试,10 min内最大功率波动小于0.98 dB;通过调节偏振控制器可分别实现1 569、1 583.2 nm以及1 555.4、1 569 nm双波长激光同时输出,在10 min监测时间内,输出激光功率变化分别小于1.14 dB和4.48 dB。     

光纤光栅激光传感器的研究现状及其应用

概述了光纤光栅激光传感器(FBGLS)的基本结构和特点,并着重介绍其波长型、偏振态型、相位型传感器的工作原理及发展现状,最后阐述了FBGLS的应用前景。     

正交相Nb2O5纳米棒的室温氢气传感特性研究

氢能源被誉为理想的清洁、高效、可持续能源.然而,氢气的易燃易爆性使其生产、贮存和使用过程面临极大的安全隐患.因此,开发快速、准确的氢气传感器及其浓度监测系统势在必行.本文利用水热法结合离子交换和高温退火处理制备了多晶、正交相的Nb2 O5纳米棒.利用该材料组装的电阻型氢气传感器具有良好的电学特性,器件电阻值约为2000...     

一种新型微结构高灵敏度光纤温度传感器

为实现高精度温度检测,提出一种基于飞秒激光微加工的新型光纤温度传感器的制备方法。利用波长为780nm的飞秒激光脉冲在刻写有光纤布拉格光栅(FBG)的单模光纤(SMF)包层上加工槽状微结构,通过磁控溅射的方法在其表面沉积温敏薄膜,从而制备一种光纤温度传感探头。理论分析了环状微结构镀膜实现温度增敏的工作机制,通过温度实验讨论了不同微结构镀膜对温度增敏效果的影响。实验结果表明,在FBG包层上单纯加工槽状微结构(无镀膜),对温度的灵敏度影响不大,基本上不改变光栅中心波长随温度变化的趋势;加工槽状微结构后再沉积敏感薄膜,可明显提升传感器的温度灵敏度,其中环状膜层较镀膜螺纹膜层微结构的增敏效果更加明显,其灵敏度可达21.37pm/℃。     

硬塑料包层光纤构成的弯曲传感器

提出了一款高灵敏的弯曲传感器,该传感器是 利用飞秒激光微加工技术与光纤熔 接技术制作的。首先利用单模光纤与硬塑料包层光纤熔接成(Mach-Zehnder interferometer,MZI),然后利用 飞秒激光在硬塑料包层光纤上刻写一排均匀的微槽,构成“SMF-HPCF-SMF”的新型弯曲传感 器结构。硬塑料包层光纤中的微槽增加了传感器对弯曲大小与弯曲方向的敏感度。实验结果 表明在曲率变化时传感器透射谱的光强度发生线性变化,利用光强变化能够解调出曲率大小 ,实验测得最大弯曲灵敏度为2.22 dB/m－1。传感器在0°, 90°和270° 4个不同方 向弯曲时,光强度变化趋势两两相反,依据这个能够初步判断弯曲方向。该传感器结构简单 、成本低、灵敏度高,在工业建筑、国防军事和海事领域有一定的应用前景。     

光纤传感器现状

分析了近年来世界范围内光纤传感器技术的应用和发展。与传统的各类传感器相比,光纤传感器有一系列独特的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰、耐腐蚀,便于实现多路技术,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等。应力、温度、气压是目前应用最广泛的光纤传感器,而光纤光栅传感是目前研究最广泛的光纤传感技术。光纤陀螺仪、光纤电流传感器是比较成熟的光纤传感器,已成功地实现了商业化。最后,讨论在应用光学动态发展中光纤传感器的技术与商业发展趋势。