Designing of Optical Fiber Sensing Probe

Evanescent wave configuration has been extensively used in the development of fiber-optic sensor for different biomedical applications. In the present investigation we have theoretically proposed the designing of single-mode and multimode optical fiber sensing probes, which can be prepared by removing a few centimeters of cladding near the distal end of the step index optical fiber. In this theoretical study, we found that the removal of cladding causes V-number mismatching and this has led to the loss of signal acquisition from the sensing region. Therefore, to minimize these losses we have proposed to reduce the radius by step etch and tapering technique. It was found that step etching and tapering enhances the strength and penetration depth of the evanescent wave significantly.     

用时阈有限差分方法研究光纤微探针近场分布特性

采用三维时间域有限差分（FDTD）方法研究了扫描近场光学显微镜中光纤微探针的近场分布特性,研究结果表明,锥形裸光纤探针的近场光中,以从探针锥变区侧面泄露的光即传播场为主,当在探针的侧面镀上一层金属膜对于从侧面泄露的光具有较好屏蔽效果,因而比裸光纤探针具有更好的空间束缚能力,无论是裸光纤探针还是金属膜探针,入射偏振光从针尖出射手发生了退极化现象,近场分布中产生与入射光偏振方向垂直的其它两个电场分量,而且金属膜探针的退极化分量对近场分布的影响比裸探针显著得多,如果在近场成像中接收退极化分量而不是总场则可以提高近场成像的对比度,还详细地分析了微探针的近场分布特征与退极化之间的关系。     

基于光纤光栅滤波的新型光纤瓦斯传感系统

根据比尔-朗伯定律, 设计了一种用于检测瓦斯气体浓度的新型光纤瓦斯传感系统。该系统利用光纤布拉格光栅优良的窄带滤波特性来产生差分吸收测量所需的窄谱光信号, 具有光路全光纤化、结构简单的特点。采用非球面光纤准直器构成光纤瓦斯传感探头, 提高了探头的光学稳定性, 进一步提高了测量灵敏度和测量稳定性。实验数据及结果表明, 系统具有良好的稳定性, 其测量灵敏度可达0.01%的体积分数, 测量范围大于5%的体积分数。     

相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术

由于散射光的相位变化对外部扰动极其敏感,相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术具有高响应速度、超高灵敏等特点.相比现有的其他分布式光纤传感技术,Φ-OTDR技术在环境适应性与光缆布设的便捷性方面有明显的优势.本文介绍Φ-OTDR系统的原理、结构、性能及应用情况,并对其发展趋势进行展望.     

基于LabVIEW的多点串联光纤传感系统设计

设计了一种远程多点光纤传感系统用于大范围对象测量,其结构为一个本地控制节点通过双向光纤链路串联所有远端传感节点。在本地控制节点共享光源、光电检测器等光电器件,并结合虚拟仪器实现数据处理电路;而远端传感节点仅包含敏感元件、无源光器件构成的光路,并能直接实现时分复用。以3节点系统的甲烷气体检测为例进行实验和计算,结果证明该方案能够有效工作,通过循环检测可使首个传感节点的相对误差降至0．2％以下。     

近场光学虚拟光探针的数值分析

虚拟光探针是基于近场光学隐失场干涉原理产生的一种非实体探针，可以应用于近场光学超高密度存储、纳米光刻、近场光学成像、光谱探测、纳米样品的近场光学操作等领域。本研究采用三维时间域有限差分（FDTD）方法对近场光学虚拟光探针的光场分布特性进行了数值模拟计算和比较，分析了孔的形状、大小及偏振态等因素对虚拟光探针光场分布的影响，研究结果表明虚拟光探针的通光效率较普通的纳米孔径光纤探针提高10^2-10^4倍；其光场分布的中间峰的半峰全宽（即虚拟光探针的尺寸）在一定距离范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质的磁撞。优化虚拟光探针的设计参量能有效的抑制虚拟光探针中的旁瓣。文章还给出了应用虚拟探针实现高密度光存储的原理方案。     

光纤激光器及其在传感中的应用

介绍了光纤激光器的基本结构和特点，着重介绍了光纤激光器在相位型、波长型、光强型和偏振态型传感器中的应用，指出了光纤激光器在传感中的发展趋势。     

微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术

在分析布里渊散射分布式光纤传感器检测原理的基础上,针对布里渊散射光信号比较微弱且和瑞利散射光之间存在频移的特点,采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和后向布里渊散射光进行相干检测,得到放大的布里渊散射光信号,再用高速模拟数字转换和存储叠加进行时序信号处理,最后得到分布式传感信号。给出了各部分实验过程和结果,得出与理论分析一致的布里渊散射光频谱和光强随温度升高而产生变化。实现了25km的分布式温度传感,初步实验结果证明了方案的可行性。     

基于相干光时域反射计的光纤温度传感测量

  研究了基于相干光时域反射计的光纤传感技术,分析了基于相干光时域反射计的分布式温度传感机理.根据传感系统的组成和原理,建立了仿真模型,利用MATLAB对传感系统的性能进行了仿真与分析,结果表明基于相干光时域反射计的传感系统可以达到温度测量分辨率为0.01 ℃,空间分辨率为1 m的性能指标.     

Fabrication of a Near-Field Optical Fiber Probe with a Nanometric Metallized Protrusion

We have developed a novel probe with a nanometric metallized protrusion extending through a subwavelength aperture to increase optical near-field excitation and collection efficiencies. The apex diameter of the fabricated metallized protrusion was 35 nm. The Intensity distribution of the optical near-field at the apex of the probe was measured by scanning another probe across the apex, and it was observed that strong optical near-field was generated at the apex of the metallized protrusion. The width of the intensity distribution was 150 nm including instrumental resolution. Probes with spherical and ellipsoidal metallized protrusion were also fabricated, by which enhancement of the optical near-field is expected due to localized plasmon excitation.     

CdSe/ZnS量子点在倏逝波光纤pH传感中的应用

将新型量子点荧光传感技术与光纤倏逝波传感技术相结合,发展了一种基于量子点荧光效应并结合倏逝波传导进行溶液酸碱度检测的新型传感技术,具有灵敏度高、检测速度快、便于微环境检测、可实现远程探测、实时监测和原位分析等特点。详细介绍了用于倏逝波传感的锥柱组合型光纤荧光探头的制备方法,量子点在光纤探头表面的修饰流程,光谱与强度两种光纤pH传感平台的建立,并分别从响应范围、线性度、重复性和稳定性等方面对CdSe/ZnS量子点应用于光纤pH传感进行了评价。结果表明,在pH值为2~12的范围内,CdSe/ZnS量子点的荧光光谱信号的峰位在强酸和强碱的情况下都会产生红移,且红移量随pH值的变化呈线性关系,其量子点荧光强度信号随pH值的减小呈线性降低关系,通过在强酸和强碱下交替测试的实验表明其具有较好的重复性,利用荧光强度传感平台进行实时监测的实验表明其具有较好的稳定性。因此,将CdSe/ZnS量子点用于倏逝波光纤pH传感具有可行性,在生物化学、环境监测、医学临床、食品安全等领域的pH值测量方面有着广泛的应用前景。     

大锥角光纤探针的制备

用熔拉法、腐蚀法、管腐蚀法、熔拉-腐蚀法、激光消融法等制备了光纤探针,对其外形进行了分析比较.熔拉法制作的探针,锥形过渡区细长,并且获得的探针锥角不大(8°～35°).腐蚀法与管腐蚀法可以使探针的锥形过渡区短,损耗小,锥角大(15°～65°),但在制备更大的锥角光纤探针时,表面开始变得粗糙.拉伸-腐蚀的方法制作光纤探针存在一个变锥度区.激光消融腐蚀法容易获得大锥角的探针,并且表面光滑.     

Bubble Velocity and Size Measurement with a Four‐Point Optical Fiber Probe

The possibility to measure the velocity and size of individual bubbles in a high‐void fraction bubbly flow is investigated by using a four‐point optical fiber probe. The air bubbles have an initial spherical equivalent diameter ranging from 4 to 10 mm and the void fraction is up to 0.3. Firstly, single bubble experiments show that intrusiveness effects, i.e. bubble deformations due to the probe, are negligible provided that the bubble approaches the probe at the axis of the central fiber. A selection criterion is utilized for multiple bubble experiments. A good compromise can be found between the required accuracy, the duration of the measurements and the number of validated bubbles required for reliable statistical averaging. In an air‐water high‐void fraction vertical bubbly pipe flow, the void fraction obtained with the instrument is found to be in good agreement with both local single‐fiber probe measurements, and with the volume average void fraction obtained from pressure gradient measurements. The area average volumetric gas flow rate, based on the bubble velocity and void fraction as measured with the four‐point probe, agree with the measured gas flow rate. Also, the liquid velocity is measured by means of a laser‐Doppler anemometer, to investigate the slip velocity. The results show that reliable and interesting measurements can be obtained by using a four‐point optical fiber probe in high void fraction flows.     

长距离光纤布里渊散射研究

研究了25 km长距离光纤中布里渊散射的功率分布,提出了求解长距离光纤中布里渊散射的耦合强度方程的数值计算方法,与忽略光纤损耗的解析解进行比较,并从实验上加以研究.在此基础上,分析了25 km长距离光纤中布里渊散射过程,得到泵浦波和斯托克斯波沿光纤的功率分布图.     

多模光纤光栅温度传感特性的实验研究

利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅,并对多模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析,表明这种光栅三个反射峰的布拉格波长随温度变化均呈现出良好的线性关系,并且重复性相当好,同一光栅的各反射峰的理论温度灵敏度系数都等于0．01nm／℃,实验测得的温度灵敏度系数为0．0098nm／℃或0．0099nm／℃,与理论分析相当吻合,这些特性与单模光纤光栅的温度传感特性接近相同。因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅开发光纤光栅传感器,以降低成本;这一实验结果还可以作为对多模光纤光栅进一步深入研究的参考。     

用于向列相液晶取向测量的侧边抛磨光纤传感特性研究

向列相液晶(NLC)的取向变化对外界环境敏感,已被作为生物传感的敏感中介材料。研究了侧边抛磨光纤(SPF)用于NLC取向变化测量的传感特性,探索利用SPF测量液晶取向变化的可行性与适用范围。将液晶折射率的理论公式与SPF传输光功率实验数据结合,得到了经验理论关系。实验中设计用机械旋转法改变SPF抛磨面附近NLC的取向。实验结果表明,NLC的取向变化导致SPF传输光功率的变化。以液晶指向矢方位角为表征的NLC的取向变化从0°增大至90°,SPF传输光功率随之增大28.10dB;在0°~30°范围内,SPF传输光功率与NLC的取向变化具有线性关系,光纤传输光功率对取向角度变化的响应平均约为0.359dB/(°)。研究表明SPF可以用于NLC的取向变化的测量并且获得了适用范围,这为基于液晶取向变化的SPF生物传感器的研究提供了参考。     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果,且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.     

不同包层直径的倾斜光纤光栅折射率传感特性

倾斜光纤光栅的透射谱中有纤芯模和大量的包层模,它们具有与布拉格光栅相同的温度特性.利用HF酸腐蚀的方法得到具有不同包层直径的倾斜光纤光栅,研究了其对外界折射率的传感特性.结果表明,外界环境折射率在1.333～1.4532之间变化时,同一直径倾斜光纤光栅的高阶包层模的敏感性要比低阶包层模强;随着包层直径的减小,包层模的敏感性增强,且在折射率比较高的环境中有更高的敏感性.因此,利用倾斜光纤光栅的温度特性不仅可以解决温度交叉敏感问题,而且通过小同的腐蚀程度能定制所需要的灵敏度,以实现对环境折射率的高灵敏度测量.该办法可应用于对生物和化学等高灵敏度传感领域的各种溶液进行实时监控.     

光纤光栅啁啾化传感研究

提出了光纤光栅啁啾化传感概念和传感机理,将光纤光栅微观分解为栅区长度范围的许多具有独立感知能力且彼此关联的有效作用子栅集,表述了有效作用子栅集与待测环境场空间梯度分布之间的对应关系,从而较好地解释了光纤光栅啁啾谱产生的内在机理.理论推导并实验验证了光栅啁啾谱各谱参量(波长、带宽和反射光强)与待测环境场(温度和应变)之间的对应关系,为利用单一光纤光栅实现多参量同时区分测量、任意非均匀空间分布场传感提供了科学有效的解决方法.     

Infrared Optical Fiber Sensors

Notably improved performance as well as extended application areas is expected in the technology of optical fiber sensors using infrared fibers that transmit radiation in a wavelength range beyond 2 μm. Measurement of infrared radiation is particularly important in thermometry and spectrometry. In these areas, the use of infrared fibers has been studied extensively not only as a transmission waveguide but also as a sensor chip. Of various infrared fibers, fluoride glass fibers exhibit the lowest transmission loss and hence are useful for remote sensing that requires light transmission over a long distance. The wide transmission range of chalcogenide glass fibers and halide crystalline fibers is valuable for thermometry in a low temperature range and for spectrometry of various molecules. Hollow waveguides are useful as a capillary flow cell that realizes fast-response spectrometry. The advantages and disadvantages of infrared fibers must be considered carefully in the development of fiber sensors. In this paper, the progress of infrared optical fiber sensors is reviewed with particular interest in thermometry and spectroscopy.