基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

基于开槽型DBR光纤激光器拍频的折射率探测

提出一种包层开槽型分布布拉格反射光纤激光器,用于光纤激光折射率探测.该激光器以单纵模双偏振分布布拉格反射光纤激光器为核心传感单元,以结构双折射产生的拍频信号为传感信号对折射率进行探测.实验中应用频率编码,灵敏度高且易于解调.利用二氧化碳激光器的热效应对分布布拉格反射光纤激光器的谐振腔加工开槽,通过控制其扫描范围和功率来制备不同宽度和深度的开槽结构,并研究了不同结构参量对灵敏度特性的影响.实验测得最优灵敏度达-240 MHz/RI-unit.此外,还对该结构的温度传感特性做了测试,相较于未刻槽结构,温度灵敏度提高了21%,达1.73 MHz/℃.该装置结构紧凑、稳定性高、制备简单且成本低廉,可用于进一步研究分布布拉格反射光纤激光器的传感和复用特性.     

硅基光波导化学传感器研究

研究了基于硅基集成光波导的马赫-曾德干涉仪(MZI)型化学传感芯片的设计、制备及相关敏感特性的模拟和分析.传感芯片采用硅基二氧化硅光波导材料,利用与传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的工艺技术制作.通过波导的单模设计以及对MZI结构的优化,获得了有效折射率分辨率达到10-7量级的高灵敏度传感芯片.作为化学传感器,把MZI的其中一臂设计成传感臂.并进行适当的表面修饰,可制作出高灵敏度的干涉型光波导化学传感器.最后,对该传感器的折射率分辨率、敏感特性等进行了分析、模拟,同时,对面临的关键问题进行了分析和讨论.     

D型高双折射光子晶体光纤的折射率传感特性研究

基于表面等离子体共振(SPR)原理,分析了D型高双折射光子晶体光纤(HB-PCF)的折射率传感特性.模拟研究了抛磨角度对双折射、折射率传感灵敏度的影响.仿真结果表明:当抛磨面离纤芯的高度小于1.5倍占空比时,抛磨面离纤芯越近,双折射越小;随着抛磨角度的增加,双折射先增加后减小,折射率传感灵敏度随之减小;当抛磨角度为0°...     

基于光纤布拉格光栅拉锥的带宽可调微光纤马赫-曾德尔干涉仪

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)拉锥的带宽可调的微光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI),该微光纤MZI的两端为关于中心束腰光纤对称的锥形微啁啾长周期光栅(CLPG)。对拉锥后的光栅周期及折射率分布进行了建模及仿真。折射率测试结果表明,MZI透射光谱带宽的倒数与氯化钠(NaCl)溶液折射率呈线性关系,通过改变NaCl溶液折射率可以调谐透射光谱带宽。对透射光谱1550 nm处的带宽进行了测量,得到折射率调谐带宽的精度为0.64318 nm~(-1)·RIU~(-1)。     

侧边抛磨光纤中传输光功率变化的实验研究

针对轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤,研究了在侧边抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤传输光功率随覆盖材料折射率变化的特性.研究表明,侧边抛磨光纤中传输光功率会随抛磨区覆盖材料折射率的变化而改变.当覆盖材料的折射率小于1.437 8时,光功率损耗近似为零；而当覆盖材料的折射率逐渐增大接近1.452 1时,光功率损耗迅速增大至最大值.当覆盖材料的折射率由1.453 2逐渐增大时,光功率损耗由最大值逐渐减小,最终维持在某个确定的值.侧边抛磨光纤并不是抛磨深度越深,损耗就越大.侧边抛磨光纤中传输的光功率存在波长相关损耗(WDL）.实验结果与理论结论符合较好.     

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/℃。     

侧边抛磨光纤的光谱调制型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振传感是基于光学消逝波与金属表面等离子体波共振的一种高灵敏度、快速、无标记的测量方式。光纤的表面等离子体共振传感具有在线测量、体积小、抗电磁干扰等优点。为提高折射率传感灵敏度,采用轮式侧边抛磨法抛磨掉多模光纤的全部包层和部分纤芯,并采用溅射法在光纤抛磨区先镀高折射率的铬层然后镀金膜,制作了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器。研究结果表明:该传感器可实现液体折射率在1.333~1.431RIU范围的测试,平均光谱灵敏度为4.11×103 nm·RIU-1,在1.417~1.431RIU折射率范围内光谱灵敏度达1.09×104 nm·RIU-1,折射率测量范围和光谱灵敏度均优于已报道的结果。此外,该传感器具有良好的稳定性与重复性实验测试,最小分辨率约为3.6×10-5 RIU。该传感器光谱灵敏度高、检测范围大、尺寸小及良好的稳定性与重复性等优点,可被用于食品检测、环境监测、生物医学检测等相关领域。     

基于表面等离子体共振的4杆悬浮芯光纤折射率传感仿真分析

设计了一种小芯径的4杆悬浮芯光纤折射率检测传感器,并针对这种光纤模拟了三种不同的抛磨结构。通过在开放式的气孔中涂覆金膜来激发表面等离子体共振效应。采用有限元方法（FEM）分析了开放式悬浮芯光纤的表面等离子体传感特性,并研究了传感金属层和悬浮杆厚度对传感效果的影响。单孔抛磨结构和相对两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.42,最大灵敏度分别为15000 nm/RIU（refractive index unit）和16000 nm/RIU,分辨率分别为6.7×10^-6 RIU和6.25×10^-6 RIU。相邻两孔抛磨结构的折射率检测范围为1.31～1.40,最大灵敏度可达20000 nm/RIU,分辨率可达5.0×10^-6 RIU。此传感器在测量高折射率物质方面具有很好的性能,便于制备,将来有广阔的市场应用前景。     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

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)。     

光纤耦合三角形金柱阵列的等离子体共振

为了满足表面等离子体传感器高灵敏度、高线性以及较大测量范围的需求,提出侧边抛磨光纤耦合的三角形纳米金柱阵列等离子体共振传感模型.用有限元法仿真得出侧边抛磨光纤倏逝场激发出三角形纳米金柱的三种等离子体共振模式,分别为传输等离子体、三角形纳米金柱的本征等离子体和柱间等离子体,在传感器透射谱中呈现三个共振波谷.本征等离子体和柱间等离子体均属于局域等离子体,所对应的共振波谷对外界环境折射率的灵敏度较低但具有很高的线性度.传输等离子体对应的波谷随折射率变化灵敏度很高且呈非线性关系,优化后三角形金柱阵列设计中,当折射率为1.38~1.42RIU时,灵敏度高达12 882nm/RIU.该传感结构集成了侧边抛磨光纤的强倏逝场,具有传输等离子体的高灵敏度、局域等离子体的高线性度和大测量动态范围等优点,有重要的研究意义和实用价值.     

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。     

侧边抛磨区材料折射率对光纤光栅波长的影响

针对轮式光纤侧边抛磨法,研究了在侧边抛磨光纤光栅抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤光栅Bragg波长随外界折射率的改变而变化的特性.理论计算与实验结果都表明,侧边抛磨光纤光栅Bragg波长会随抛磨区覆盖材料折射率的增大向长波长方向偏移;侧边抛磨面离光栅区纤芯表面越近,覆盖材料折射率对波长偏移的影响越大.实验指出,当侧边抛磨区覆盖材料的折射率从1.389 7变到1.447 9时,Bragg波长将会发生1.402 nm的偏移.用轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤光栅可应用于光纤光栅的波长调谐或传感器.     

应用于液压传感的光子晶体光纤特性

为实现结构紧凑、高灵敏度的光纤压力(液压)传感器,提出了一种应用于液压传感的边孔结构光子晶体光纤.基于全矢量有限元方法,研究了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤的有效折射、模式等特性以及在液压情况下的应力和应力特性.根据光弹效应给出了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤在液压情况下的折射率变化特性.模拟结果表明边孔结构光子晶体光纤可以获得更大的液压传感灵敏度,增大边孔半径可以提高液压传感灵敏度,因此结构优化的边孔结构光子晶体光纤可以实现高灵敏度的光纤压力(液压)压力传感器.     

长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使...     

应用于液压传感的光子晶体光纤特性

为实现结构紧凑、高灵敏度的光纤压力(液压)传感器,提出了一种应用于液压传感的边孔结构光子晶体光纤.基于全矢量有限元方法,研究了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤的有效折射、模式等特性以及在液压情况下的应力和应力特性.根据光弹效应给出了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤在液压情况下的折射率变化特性.模拟结果表明边孔结构光子晶体光纤可以获得更大的液压传感灵敏度,增大边孔半径可以提高液压传感灵敏度,因此结构优化的边孔结构光子晶体光纤可以实现高灵敏度的光纤压力(液压)压力传感器.     

侧边抛磨单模光纤表面等离子体传感器的设计和优化

光纤表面等离子体共振传感器具有体积小、抗电磁干扰,可以实现在线实时远距离检测的优点。为提高传感器的性能,建立了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感的物理模型,分别研究了侧边抛磨光纤的剩余厚度、银膜层的厚度对传感器的灵敏度、共振峰的深度和半高全宽等的影响。结果表明：光纤剩余厚度越小,表面等离子体共振现象越强;随银膜层的厚度增大,共振峰的宽度变宽,而传感器的灵敏度呈现非单调变化。通过综合表面等离子体共振传感器的折射率传感灵敏度和共振峰半高全宽,提出了质量因数作为传感器的优化指标,并最终得到最优化的设计方案为光纤剩余厚度为66.5 μm,银膜的厚度为50 nm,此时质量因数达到98.67。     

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.     

基于马赫-曾德干涉仪的色散转折效应及其传感性能模拟研究

设计了工作在近红外波段的硅基马赫-曾德尔干涉仪(MZI)折射率传感器。理论和仿真模拟分析表明,通过改变MZI的结构参数可以对输出干涉谱的色散转折特性进行调控,经过优化后色散转折点(DTP)所对应的波长可以调至近红外波段(1550 nm),通过改变MZI周围的环境折射率(SRI)可以使折射率灵敏度达到37500 nm/RIU。由于DTP两侧的干涉条纹对外界折射率响应有相反的特性,将干涉波谷的相对漂移量作为检测对象,能够将灵敏度提高2倍,即75000 nm/RIU。不同于常规基于光栅和波导耦合构架的DTP传感器,所设计的DTP结构中两个干涉模式互不相关且均可独立调控,并可根据需要灵活调控色散转折波长。