基于二阶Loyt-Sagnac干涉仪的灵敏度增强温度传感器

通过在基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段高双折射光纤并控制两段高双折射光纤的熔接角度,设计制作了二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构.利用Jones矩阵对反射谱特性进行了理论推导,对光束入射角度和高双折射光纤长度进行了优化,并对两种结构的干涉仪温度传感器进行仿真和实验.仿真结果表明,利用二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构的游标效应,能提高其作为温度传感器时的灵敏度;实验结果证明,单段Sagnac环干涉仪温度传感器灵敏度为-1.46nm/℃,而使用二阶Loyt-Sagnac干涉仪的温度传感灵敏度为-17.99nm/℃,提高了约12.32倍.     

多模—单模结构光纤表面等离子体共振传感实验

表面等离子体共振技术的应用日益广泛,但是由于其敏感单元制备复杂,尤其是光纤表面等离子体共振传感系统的传输效率较低,使得此类传感实验很难在本科教学中进行开展。本文提出了一种多模-单模结构光纤SPR传感实验,简化了敏感单元的结构,提高了传输效率。通过对水、丙酮、乙醇、异丙醇和正硅酸乙酯进行了实验测量,结果表明,该实验装置的平均灵敏度可以达到2 902 nm/RIU,敏感单元制作简单,制作成功率高,非常适合于本科教学中采用。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

同时测量温度和曲率的光纤传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为-27.58nm/m-1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.     

基于异丙醇填充和游标效应增敏的氢气传感器

采用高热光系数的异丙醇和平行连接结构,使基于Pt-WO3敏感膜的法布里-珀罗氢气干涉仪灵敏度得到了大幅度提升.传感器的异丙醇腔由孔径126μm空心光纤和端面镀有银膜的单模光纤组成,结构紧凑且稳定.氢敏测试结果表明:干涉仪在0～2％(vol％)氢气浓度范围内的灵敏度为1.7464 nm/％,响应速度快,重复使用性好.将两...     

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。     

一种新型全光纤速度干涉仪

 基于传统速度干涉仪(VISAR)和光纤速度干涉仪(AFVISAR)的特点，提出了一种由光纤和光纤耦合器组成的工作波长为532 nm的新型全光纤速度干涉仪（NAFVISAR）。该干涉仪采用多模光纤器件构成分离系统,单模光纤器件组成核心部分。由于有两路携带不同信息的光束经不同路径传输到耦合器中，当这两路光束满足干涉条件时，可利用它们的干涉场信息来调解出被测靶的信息，从而区分波面的加减速变化。用该系统进行了Hopkinson森杆一维应力加载下的入射杆端面的速度剖面测试，实测速度最大值为49.36 m/s，与理论速度的最大值50.16 m/s基本符合，实现了全光纤速度干涉仪的实用化。     

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.     

错位结构全光纤扭转传感器的研究

全光纤干涉仪具有结构简单、制作方便且灵敏度高的特点,近年来已广泛应用于各种传感领域。提出了一种基于多模光纤错位熔接于两单模光纤之间的全光纤干涉仪,并将其应用于矢量扭转测量。实验证明,若以强度解调,传感器在顺时针及逆时针扭转时的灵敏度分别为-0.225 dB/（°·m）和0.148 dB/（°·m）;若以波长解调,传感器在顺时针及逆时针扭转时的灵敏度则为-0.259 nm/（°·m）和0.222 nm/（°·m）。不管采用哪种解调方法,传感器在0～180°范围内的线性拟合度都大于97%。提出的全光纤扭转传感器结构简单且性能良好,可以用于建筑形貌及结构健康监控等工程应用。提出的全光纤干涉仪在未来还可用于其他领域的传感测量,如温度、曲率等。     

二氧化硅微光纤与一维纳米材料集成器件的原理与应用

微光纤器件由于其优异的光波导特性、较高的机械强度、操作灵活性和易于集成的特性，已经受到越来越多的关注，并且实现了在传感、激光、生物化学等领域的广泛应用。然而，二氧化硅微光纤器件尺寸相对较大、材料折射率较低，使其在微纳尺度的气、液态环境中的应用具有极大的挑战性。一维纳米材料的出现弥补了这一不足，由于其具有更小的尺寸和更高的折射率，基于单纳米线集成的微光纤器件在一些特殊环境中可以实现更高灵敏度和更高空间分辨率，拥有广阔的应用前景。本文从器件制备、耦合原理以及具体应用等方面对纳米线集成的微光纤器件进行了系统的介绍，并简要介绍了国内外以及南京大学近年来在该领域的研究进展。     

基于游标效应的温度不敏感光纤拉力传感器

提出了一种基于光学游标效应的并联法布里-珀罗干涉仪,实现了高灵敏度的光纤拉力传感。为实现高质量的游标效应,该传感器由两个法布里-珀罗干涉仪并联组成,分别为传感干涉仪和参考干涉仪,在此基础上,采用光纤衰减器来精确调控参考干涉仪的插入损耗,便于波长和强度之间的完美匹配。实验结果显示,并联后的拉力灵敏度达到了63.5 nm/N,线性度为99.26%,与单一传感干涉仪相比灵敏度提高了15.8倍。同时,温度串扰仅为9.8×10^-4 N/°C。该传感器具备制作简单、灵敏度高、机械强度高、体积小以及成本低等优点,为恶劣条件下拉力测量提供了应用参考。     

可双参量同时测量的干涉型全光纤传感器

提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器,其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成,起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵敏度的影响,结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同.实验测得马赫增德干涉峰对温度、折射率和液位的灵敏度分别为0.072 45nm/℃、87.65nm/RIU和0.029 714nm/mm;光纤布喇格光栅透射峰对温度的灵敏度为0.009 89nm/℃,但对折射率、液位不灵敏,因此可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.该传感器可广泛应用于化学、生物和制药等领域.     

单模光纤LPG对的MZ干涉仪U波段实验研究

全光纤型MZ干涉仪是未来高速光器件和光信号处理技术的基本部件。在单模光纤中采用周期压力方式写入LPG对,构成一种光纤型MZI,可实现U波段的波长调制。在实验中得到了1650nm的MZI的干涉光谱。LPG的写入方式简陋,实验结果对1650nm处U波段光开关、滤波器等全光器件的研究有参考意义。     

白光干涉解调光纤MEMS压力传感器

为了在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下实现压力的测量,进一步提高传感器的小型化并降低其制作成本,提出并设计了一种基于白光干涉解调的光纤法布里-珀罗压力传感器,实现了传感器的压力测量.基于微机电系统技术,采用光刻、阳极键合以及化学腐蚀的方法制作了以硅和玻璃构成的法布里-珀罗腔体,使用二氧化碳激光器对法布里-珀罗腔体与光纤进行焊接.基于白光干涉解调技术,利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔体的互相关关系对传感器进行了解调,并做了压力实验.实验结果表明:传感器在120~300kPa范围内具有较高的腔长变化灵敏度和线性度,分别为9.012 7nm/kPa和99.9%;传感器分辨率为0.1nm,重复性为0.1%.研究成果对低成本、高一致性光纤F-P传感器的批量制作具有一定的参考价值.     

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.     

基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺,提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器,激发出光纤高阶包层模,纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高,对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究,实验结果表明在0~9mm的液位变化范围内,干涉谷波长与液位呈线性关系,水液位灵敏度为-0.116nm/mm,质量分数为4.7%的NaCl溶液液位灵敏度为-0.129nm/mm;在20~80℃的水温变化范围内,干涉谷的温度灵敏度为0.038nm/℃。传感器结构简单、制作简便,而且成本低廉,在石油化工等领域具有较好的应用前景。     

微米级锥形光纤的近场光镊

分别从理论和实验上分析了光纤表面倏逝场强度的分布(z=10 nm, 100 nm, 500 nm,1 000 nm),研究了微米级光纤光镊对微球的操纵。实验中把直径为125 m的普通单模光纤拉制成锥腰直径为2 m的锥形光纤。当光纤通光时,在光纤锥区倏逝场的作用下,直径3 m的聚苯乙烯微球保持平衡状态,并且光纤附近的微球被吸引到光纤表面,以5.3 m /s的速度沿着光束的传播方向运动。这个实验不仅实现了对微球的成功捕获,而且验证了光纤光镊的力学作用。光纤光镊对微球的无接触、无损伤操纵,将在生物传感领域有潜在的应用。     

空心微瓶谐振腔的封装及折射率传感特性研究北大核心CSCD

为提高传感器的稳定性和便携性,提出一种基于空心微瓶谐振腔的折射率传感器,对系统进行封装并对其折射率传感特性进行研究。仿真分析不同壁厚下空心微瓶谐振腔径向回音壁模式的光场分布,光场在微瓶内部的占比随着器件壁厚的减少而增加,有利于提高传感灵敏度。为减小空心微瓶谐振腔的壁厚,利用氢氟酸对石英毛细管进行腐蚀,使用光纤熔接机制备了薄壁空心微瓶谐振腔。采用紫外胶将耦合系统封装固定在载玻片上,器件稳定性和便携性得到提升。研究了封装器件在不同折射率匹配液下的传感特性,器件传感灵敏度为26.50 nm/RIU。该传感器具有稳定性强、灵活性高、损耗小等优点,在光微流控折射率检测方面拥有很大的应用潜力。     

光源加热型高灵敏度光纤热式风速计

针对光纤热式风速计需要专门的泵浦激光或加热电阻所带来的成本增加和操作不便,提出了基于光源自加热效应的高灵敏度光纤热式风速计。首先在单模光纤端面用紫外光固化胶制作法布里-珀罗干涉仪并将其作为传感探头;然后利用传感探头对输入宽带光源的吸收所产生的热量,获得自身较高的初始温度;最后测量传感探头在气流作用下温度降低及应变所引起的干涉光谱的波长漂移量,根据波长漂移量与风速的特定关系来实现风速测量。在0～7 m/s的风速范围内对传感探头进行测量,结果表明传感探头获得高达-3.13 nm/(m·s^-1)的风速灵敏度,响应时间约为250 ms。     

基于Bitaper-LPFG-Bitaper结构的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感特性

提出并制作出一种基于锥体光纤-长周期光纤光栅-锥体光纤结构的全光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪传感器,并对其温度传感特性进行了研究.实验结果表明,固定光纤锥体和长周期光纤光栅的结构,仅改变两个光纤锥体之间的距离,对应不同的M-Z干涉谐振峰呈现出不同的温度传感特性:随着两个光纤锥体之间的距离增加,位于短波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度减小,而位于长波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度增加.当传感器长度为16.5 cm时,在1 680 nm附近的温度灵敏度达到0.102 06 nm/℃.实验结果对于锥体光纤-长周期光纤光栅组合型温度传感器的优化设计具有重要参考价值.