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。     

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     

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.     

基于偏芯熔接光纤的应力与折射率传感器

基于偏芯熔接技术构建了一种新型马赫-曾德尔干涉(MZI)原理的应力与折射率光纤传感器。该传感器是由一段单模光纤的两端实施偏芯熔接而成。利用光纤包层模、纤芯模对应力和折射率的敏感特性,实现对外界折射率和应力的测量。研究结果表明,施加轴向应力范围为0~500με时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1585nm附近干涉谷处的应力灵敏度约为-7.00pm/με;外界折射率在1.331~1.398RIU(RIU为单位折射率)范围时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1570nm附近干涉谷处的折射率灵敏度约为-55.223nm/RIU;且均具有良好的线性拟合效果。该传感器也可应用于温度等其他参数测量,具有非常广阔的应用前景。     

基于多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率同时测量的光纤传感器

利用偏芯熔接的方法,研制出一种可实现温度和折射率同时测量的光纤传感器。该传感器将一段多模光纤MMF2的左端与一芯径与长度均相同的多模光纤MMF1偏芯熔接,右端与一大芯径多模光纤MMF3对芯熔接构成传感头,利用多模光纤纤芯模和包层模对温度、折射率的敏感性差异,结合敏感矩阵实现了双参量同时测量。实验选取了位于1536.98nm和1545.24nm处的干涉谷进行了温度和折射率的测量,测得1536.98nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.105nm/℃,对折射率不敏感;1545.24nm处的干涉谷对温度的灵敏度为0.052nm/℃,对折射率的敏感性为32.2nm/RIU(RIU表示单位折射率)。该传感器也可应用于其他参量的测量,具有良好的应用前景。     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

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/℃。     

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。     

基于少模光纤长周期光栅叠栅的折射率传感特性

为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响,提出并制备了一种少模光纤长周期光栅传感器.该传感器利用CO_2激光器在少模光纤上先写入周期为654μm、长度为30mm的长周期光栅,然后用旋转平台将光纤旋转180°,再写入相同长度周期为819μm的长周期光栅制作而成,其传输光谱在1 487.2nm和1 533.0nm处出现两个由不同模式耦合形成的谐振峰,通过监测两个谐振峰差值的变化减少温度串扰,实现折射率的测量.实验结果表明:两个谐振峰差值在折射率1.333 3~1.376 6范围内的灵敏度为143nm/RIU,在温度20~70℃范围内的灵敏度为-0.002 5nm/℃,温度灵敏度远低于折射率灵敏度,具有对温度不敏感的特性.与传统光纤传感器相比,该传感器具有温度干扰小,折射率灵敏度高等优势,并且尺寸较小、结构紧凑,可在工业、水利、医学等领域广泛应用.     

熔融拉锥型光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪传感特性EI北大核心CSCD

基于熔融拉锥型光子晶体光纤（PCF）的马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪是在一段实芯PCF两端分别熔接单模光纤后进行熔融拉锥制作而成的,该传感器透射光谱的干涉条纹对比度可达2．23dB。利用该传感器实现了对不同质量浓度氯化钠溶液传输光谱的检测,研究了其传输光谱与外界折射率的响应关系。实验结果表明,在折射率变化范围为1．333-1．349时,该传感器对于不同质量浓度氯化钠溶液的折射率测量灵敏度为210．075nm／RIU在温度测量范围为20℃-70℃时,其温度灵敏度约为0．0018nm／℃,在测量中能够克服温度交叉敏感问题。     

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。     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

Hybrid Long-Period Fiber Grating with Multimode Fiber Core for Refractive Index Measurement

A refractive index(RI) sensor based on hybrid long-period fiber grating(LPFG) with multimode fiber core(MMFC) is proposed and demonstrated. The surrounding RI can be determined by monitoring the separation between the resonant wavelengths of the LPFG and MMFC since the resonant wavelengths of the LPFC and MMFC will shift in opposite directions when the surrounding RI changes. Fxperimental results show that the sensor possesses an enhanced sensitivity of 526.92 nm/RIU in the RI range of 1.387-1.394 RIU. The response to the temperature is also discussed.     

Numerical study of a highly sensitive surface plasmon resonance sensor based on circular-lattice holey fiber

A new design of surface plasmon resonance (SPR) sensor employing circular-lattice holey fiber to achieve high-sensitivity detection is proposed. The sensing performance of the proposed sensor is numerically investigated and the results indicate that our proposed SPR sensor can be applied to the near-mid infrared detection. Moreover, the maximum wavelength sensitivity of our proposed sensor can reach as high as 1.76×10⁴ nm/refractive index unit (RIU) and the maximum wavelength interrogation resolution can be up to 5.68×10^-6 RIU when the refractive index (RI) of analyte lies in (1.31, 1.36). Thanks to its excellent sensing performance, our proposed SPR sensor will have great potential applications for biological analytes detection, food safety control, bio-molecules detection and so on.     

Investigation on micro/nanofiber Bragg grating for refractive index sensing

We propose a refractometric sensor based on micro/nanofiber Bragg grating (MNFBG). The refractive index (RI) sensing performance dependence on the fiber radius and Bragg grating period of the sensor, as well as the temperature cross-sensitive effect, is investigated theoretically. The simulation results demonstrate that 400 nm-radius MNFBG has a linear response to RI ranging from 1.3 to 1.39 with a sensitivity as high as 992.7 nm/RIU and half temperature cross-sensitivity of normal FBG. A maximum sensitivity of up to 1200 nm/RIU and an outstanding RI resolution of 8.3 × 10^-6 can be achieved. MNFBG has high potential in various types of optical fiber sensor applications.     

基于单端探测温度和折射率的MZI光纤传感器

提出并演示了一种基于单端探测的光纤传感器,可同时测量温度和折射率。微结构光纤探头由两个玻璃光纤微球拼接在一起,并在该探头的末端利用真空电子束蒸镀一层铝膜以增加反射,从而形成微球结构的马赫-曾德尔型光纤传感头。实验结果表明,该器件的温度灵敏度和折射率可分别达到50.77 pm/℃和-21.94 nm/RIU。这项工作提出了一种低成本、高分辨率的基于光纤方法实现的多功能传感应用。单端探测的马赫曾德尔型光纤传感器小尺寸的优势可应用到小体积气体的测量,而它的全二氧化硅设计提供了高温或化学严酷环境的兼容性。     

改善波形并增敏的光纤光栅温度传感技术

选用热膨胀系数较大的聚合物和某种偶联材料,采用特殊工艺用其对裸光纤光栅进行封装,消除了封装过程中所带来的光纤光栅啁啾现象,极大地改善了光纤光栅反射波的波形,提高了封装测试过程的重复性,为波长解调解决了一大难题.在30.6℃~120℃范围内,测量过程中波形很好并几乎不变,温度灵敏度为0.1173 nm/℃,温度分辨率为<0.43℃,比裸光纤光栅增加了11倍;平均灵敏度增敏倍数γ′=10.34,与理论计算灵敏度增敏倍数γ=10.76符合得比较好.聚合物封装光纤光栅的温度响应曲线具有很好的线性.     

Long period grating cascaded to photonic crystal fiber modal interferometer for simultaneous measurement of temperature and refractive index

We propose and demonstrate a novel and simple dual-parameter measurement scheme based on a cascaded optical fiber device of long-period grating (LPG) and photonic crystal fiber (PCF) modal interferometer. The temperature and refractive index (RI) can be measured simultaneously by monitoring the spectral characteristics of the device. The implemented sensor shows distinctive spectral sensitivities of -30.82 nm/RIU (refractive index unit) and 47.4 pm/°C by the LPG, and 171.96 nm/RIU and 10.4 pm/°C by the PCF modal interferometer. The simultaneous measurement of the temperature and external RI is experimentally demonstrated by the sensor. The temperature shift and RI shift calculated by the sensor matrix agree well with the actual temperature and RI change in the experiment.