基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备,采用飞秒激光直写技术,在光纤末端刻蚀出矩形凹槽,辅以光纤熔接方法,制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响,温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系,探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用,灵敏度为0.171nm/(mgmL-1)。结果表明,基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点,在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。     

带有温度补偿的微流传感器研究

提出一种基于双长周期光纤光栅(LPFG)的边孔光纤微流传感器。该边孔光纤(SHF)内有2个空气孔,是天然的微流体通道,该微流传感器可进行温度补偿。利用CO2激光器在边孔光纤上写入双LPFG,其共振波长分别为1 268.7 nm和1 385.8 nm。实验结果表明,当传感器置于折射率1.335~1.395的甘油水溶液中,2个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为88.724 nm/RIU和79.474 nm/RIU,温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃,利用折射率和温度灵敏度可推导出传感器的传感矩阵。该文所提出的带有温度补偿的微流传感器具有良好的线性响应度,可实现折射率和温度的同时测量,在环境监测和食品安全领域有潜在价值。     

基于多模干涉和长周期光纤光栅的温度及折射率同时测量

基于多模干涉理论和长周期光纤光栅(LPFG)的传感特性,提出了一种单模-多模-单模(SMS)结构与LPFG级联的光纤传感器,实现了温度和折射率的同时测量。实验结果表明,SMS结构的干涉谱和LPFG对温度和折射率具有不同响应灵敏度,其温度灵敏度分别为0.017nm/℃和0.060nm/℃;SMS结构对折射率不敏感,而LPFG的折射率灵敏度为-35.60nm/RIU(RIU为折射率单位)。因此利用敏感矩阵,实现对温度和折射率的同时测量,得到温度和折射率的最大测量误差分别为±0.59℃和±0.0013。该结构灵敏度高、结构简单,且不易受电磁等干扰。实验结果具有良好的线性度,在生物化学领域应用前景良好。     

激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗高温-应变组合传感器

在很多高温环境应用中,诸如发动机、飞机和宇航器、复合材料的健康监测,需要精确测量应变。针对这种场合提出了一种基于激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗(LPFG/F-P)温度-应变组合光纤传感器。该传感器由长周期光纤光栅与光纤法布里-珀罗干涉传感器级联构成,其中长周期光纤光栅由高频CO2激光脉冲制作,用于监测温度;光纤法布里-珀罗干涉传感器由157nm准分子激光脉冲制作,用于监测应变。这种新型组合光纤传感器最大的特点是能承受500℃的高温并能在高温环境下实现应变的精确测量,可望在高温恶劣环境条件下的结构(如飞机发动机)健康监测、复合材料生产过程监测等应用中发挥重要作用。     

基于逐点法刻写的偏芯光纤布拉格光栅应变和温度传感研究

为解决当前光纤光栅制备灵活性较低,以及测量 中不利于实现分布式波分复用的问题,提出了一 种于基于逐点法刻写的偏芯光纤布拉格光栅传感器(eccentric fiber Bragg grating,EFBG)。采用飞秒激光(femtosecond laser,FSL)逐 点刻写技术,光栅刻写位置垂直偏离光纤中心3 μm,光栅长度为5 mm,光栅中心波长为1 633 nm。不 同于传统光纤光栅,偏芯结构的光栅可以激发出较宽的包层模共振范围,通过分析包层模共 振峰的波长 漂移量,表征施加的应变大小或温度高低。实验结果表明,应变测量范围在0—5 00 με时,包层模灵敏度为 0.98 pm/με,温度测量范围在30—80 ℃时, 包层模灵敏度为10.89 pm/℃,并且包层模灵敏度相比芯模灵敏 度数值相差较小,从而可以实现应变或温度的传感测量。     

CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）与光纤马赫-增德尔（MZ）干涉型结构的光纤传感器,利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450 时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/,卸载灵敏度为4.24 pm/。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。     

基于两种光纤介质模型的长周期光纤光栅传感特性分析

仿真分析了单轴晶体光纤的两层介质模型与三层介质模型所得纤芯模有效折射率的差别,并基于该差别对长周期光纤光栅的外界环境折射率、温度和轴向应变传感灵敏度进行了仿真分析。结果表明,对两层、三层介质模型的纤芯模,尤其对薄包层光纤有效折射率有较大差别;用两层介质模型和/或材料的折变系数计算所得的长周期光纤光栅的外界环境折射率、温度和轴向应变灵敏度有较大的误差,需应用三层介质模型以及模式的有效折变系数进行准确计算。据此计算了上述3种传感灵敏度与光纤包层半径及包层模序数的关系。为长周期光纤光栅传感器的分析设计提供了指导。     

飞秒激光烧蚀长周期光纤光栅的高温特性研究

为了探索包层去除型长周期光纤光栅的高温传感特性,利用中心波长为800 nm,脉冲宽度为120 fs的飞秒激光烧蚀直写而成并对其进行高温传感检测。首先,通过两块轴线互相垂直的柱透镜将入射激光聚焦成细长焦线,并借助垂直方向CCD成像系统精确定位光纤与焦点的相对位置;然后,通过激光器内嵌shutter与运动平台的耦合控制,实现光纤光栅的精确去除加工;最后,将写制的光纤光栅置于800℃的高温炉中放置2 h。利用高温管式电热炉对所加工光纤光栅在30~1100℃内进行温度传感测试,发现其在30~300℃内谐振波长的温度灵敏度为51 pm/℃,线性度为0.956;但在高温段300~1100℃内,其温度灵敏度达到了135pm/℃,线性度高达0.999。实验结果表明,这种通过包层表面定量去除的长周期光纤光栅更适用于高温及超高温环境的传感检测。     

基于Lyot滤波器和长周期光纤光栅的温度与应变的同时测量

提出了一种基于光纤干涉原理的同时测量温度和应变的传感器,通过在Lyot滤波器(LFF)中熔接一段长周期光纤光栅(LPFG)构成。其中LFF由在起偏器(PL1)和检偏器(PL2)中嵌入一段保偏光纤(PMF)构成。实验结果表明,LFF的干涉谱和LPFG的谐振峰对温度和应变有不同的响应灵敏度,因此可利用敏感矩阵实现对温度和应变的同时测量。实验测得LFF和LPFG的温度灵敏度分别为-1.3173nm/℃和0.0604nm/℃,应变灵敏度分别为-0.0185nm/με和-0.0004nm/με。温度和应变的测量精度分别为±1℃和±25με。该系统采用线性结构,结构简单、易于实现,具有较高的灵敏度和稳定性,同时测量结果具有良好的线性度。     

基于长周期光纤光栅的光纤液位传感器

为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。     

基于45°倾斜光栅对实现折射率不敏感的温度测量

利用光栅效应和保偏光纤的双折射效应相消原理, 设 计并制备了一种折射率不敏感温度 传感器。传感器由写在熊猫保偏光纤(PMF)上的倾角为45°的长周期光纤光栅(LPFG)对构 成。实验结果表明,当满足特定条件时随着环境折射率的变化,谐振波长零漂移;随 着环境温度的升高,谐振波长向长波方向漂移,温度灵敏度高达37p m/℃,高于报道的 螺旋型折射率调制级联光栅对(温度灵敏度为30pm/℃),三倍于Br agg光栅的温度灵 敏度(10pm/℃)。这种结构具有的折射率不敏感性,特别适用于生 产过程中液体的温度测量,而不必考虑折射率和温度的交叉敏感性。     

在光纤拼接处刻写长周期光纤光栅及其传感应用

在"单模光纤-细芯光纤"拼接处刻写了Type II型长周期光纤光栅,构成一种高温光纤传感器。该传感器实际由2段不同的长周期光纤光栅级联构成,在第二个光栅形成了Mach-Zehnder干涉,因此,传感器透射谱由长周期光纤光栅与Mach-Zehnder干涉仪共同作用形成。利用传感器的透射谱与环境温度的线性变化关系,进行环境温度测量。实验中选取传感器透射谱的2个谐振峰波谷dip 1和dip 2来测量外部温度变化。实验结果表明:在300℃~800℃高温测量范围中,波谷dip 1处温度灵敏度为103.4 pm/℃,波谷dip 2处温度灵敏度为121.8 pm/℃,测量最高温度可达到800℃。该传感器制作简单易重复、灵敏度高、线性度好、成本低,在高温传感领域有一定的应用价值。     

基于光子晶体光纤长周期光栅的双参数传感技术研究

利用高频CO2激光脉冲在折射率引导型的光子晶体光纤(PCF)上写制了长周期光栅(LPG),产生多个谐振峰。实验观察和理论分析均表明,这些峰是源于纤芯LP01模式向高阶纤芯LP11模式的耦合。通过研究产生的两个谐振峰随外界温度、弯曲、折射率和轴向应变的变化发现,LPG只对温度和轴向应变敏感,从而实现对弯曲和折射率均不敏感且能同时测量温度和应变的双参量传感器,减小了交叉敏感,其温度和轴向应变的灵敏度分别为10 pm/℃和-4.0 pm/με。     

LPFG与无芯光纤级联的折射率与温度同时测量传感器

为了满足工业生产与科学研究对折射率与温度同 时测量的需求,一款新型光纤传感器被设计了。传 感器是利用无芯光纤(no-core fiber,NCF)与长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG)级联构成,其中NCF对折射率比 较敏感,LPFG 对温度较敏感。实验选择传感器透射谱谐振峰波谷Dip 3(由NCF激发)和Dip 4(由LPFG 激发)来进行环境 温度与折射率测量。实验发现Dip 3和Dip 4的中心波长随温度变化有很好的线性关系,温度灵敏度分别 为9.46 pm/℃和19.88 pm/℃。当环境折射率 在1.33范围变化时,Dip 3的中心波长 与折射率之间存 在极好的线性关系,折射率灵敏度为102.80 nm/RIU,而Dip 4的中心 波长对折射率变化不敏感。利用Dip 3与Dip 4的温度和折射率灵敏度构建灵敏度测量矩阵,实现了折射率和温度的同时测量,消 除了交叉敏感。 设计的传感器结构简单、折射率灵敏度高、成本低、结构重复性好,能够满足工程实际的 需求。     

高灵敏度级联长周期光纤光栅温度与应变传感的理论研究

根据长周期光纤光栅(LPFG)的温度和应变特性,从理论上设计一种具有更高灵敏度的传感器。将两个具有不同包层参数和周期的长周期光纤光栅串联起来,构成光纤光栅传感器;并对其进行数值模拟,结果表明此传感器具有更高的温度和应变灵敏度,同时能实现双参数测量。对影响传感器灵敏度的因素进行了进一步分析表明光栅包层参数、周期对灵敏度都有一定影响,在其他参数不变的情况下高阶模次的灵敏度高于低阶模次,这一结果能进一步提高灵敏度。     

高频CO2激光脉冲写入PCF-LPFG传感特性研究

采用高频CO2激光技术在柚子型光子晶体光纤(PCF)上写入长周期光纤光栅(LPFG),并对其温度、应变和弯曲特性进行了实验研究。实验测得,PCF-LPFG谐振波长的温度和应变灵敏度分别为0.002nm/℃和0.001 8nm/με,谐振峰损耗值对温度和应变不敏感。由于高频CO2激光写入为单侧写入,导致PCF-LPFG透射谱的弯曲特性与方向和曲率直接相关。选择弯曲灵敏度较大的方向进行了弯曲测试,测得在一定的曲率范围内,PCF-LPFG的谐振波长及谐振峰损耗值的灵敏度分别为-5.45nm/m-1和3.32dB/m-1。基于PCF-LPFG的透射谱温度不敏感特性,本文为制作不受温度影响的应变和弯曲传感器提供了新的方法。     

截面折变非对称型长周期光栅高温应变特性

研究了基于高频CO_2激光脉冲单侧写入的截面折变非对称型长周期光纤光栅(LPFG)高温特性及其在高温环境中的轴向应变特性。理论和实验表明在200～1000℃之间长周期光纤光栅的谐振峰漂移呈线性趋势;同时,在高温环境中其谐振峰随轴向应变也呈线性漂移,且不同谐振峰的温度和应变灵敏度也不同。利用这种新型长周期光纤光栅独特的高温应变特性可用一根光纤光栅实现对高温和应变的同时测量。     

基于全固光子带隙光纤的传感器的特性研究

为了实现对基于全固光子带隙光纤（AS-PBF）的传感器的特性研究,采用了双锥型模式干涉仪的结构,使用熔接机在一根AS-PBF上间隔一段距离制作两个锥形光纤,制备出一种基于双锥型模式干涉的特种光纤传感器。与传统单模光纤或折射率传导的光子晶体不同,AS-PBF的纤芯有效折射率较低,而包层有效折射率较高。通过理论分析和实验验证,测量研究了这种光纤结构对温度和轴向应力的响应。实验结果表明,温度灵敏度和轴向应力灵敏度分别为~63pm/oC和~-1.74nm/ N。与长周期光栅、布拉格光栅相比,基于全固带隙光纤的双锥型模式干涉传感器具有制备简单、结构紧凑等优势,在光纤传感领域具有广泛的应用前景。     

飞秒写光纤光栅激光器有源高温传感技术

针对光纤光栅型光纤激光器有源温度传感技术只能进行较低温度以及较小范围温度测量的问题,提出一种飞秒写光纤光栅型光纤激光器高温传感测量系统.将飞秒写光纤光栅嵌入到光纤环形腔结构中,同时作为温度敏感元件和激光波长反馈器件,设计搭建了飞秒写光纤光栅型激光器光路.此光路系统输出光信号带宽为3.45 GHz峰值强度为31.94 dBm,2h内连续光谱检测最大波长漂移为3.25 pm,可视为无跳模现象,实现了高达60 dB的高信噪比、窄线宽、高功率信号输出,同时输出光信号可线性表征光纤光栅温度感应.实验结果表明此传感系统实现了50℃到1000℃大范围温度的线性传感检测,线性度可达0.9975,波长·温度灵敏度为13.8 pm/℃.     

飞秒直写长周期光纤光栅及其液体折射率特性研究

利用800 nm飞秒激光在未经载氢处理的HI1060光纤中制作了长周期光纤光栅(LPFG).采用逐线刻写方式实现了谐振波长为1 548.4 nm的LPFG,谐振强度为12 dB,栅区长度小于4 mm.使用不同折射率的氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液分别对LPFG的折射率特性进行了测试和研究.实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液中的折射率灵敏度分别为175.34、175.31和331.89 nm/RIU.实验结果表明,这种基于飞秒激光制作的LPFG对液体折射率变化有较高的灵敏度,可用于液体折射率传感测试.