基于MZI的多用途全光纤传感器设计

以细纤芯及包层光纤为传感头,利用简单的熔接方法,制作了一种多用途MZI全光纤传感器。利用一段多模光纤作为模式耦合器激发细光纤包层模式,可实现对外界液面、折射率、温度和轴向应力的测量,同时利用液面灵敏度大小实现对折射率高灵敏度测量的方法,有助于推动光纤传感器在传感领域的广泛应用。     

基于多模态双偏置光纤的折射率传感机理研究

提出了一种基于双偏置结构光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)的超高灵敏度折射率传感器,理论分析了偏置型MZI的干涉机理。通过光束传播法(beam propagation method,BPM)模拟分析了多模态偏置光纤的折射率传感特性、以及在不同偏置长度和折射率 范围内折射率灵敏度的变化,对比了单偏置与双偏置的传感特性。仿真结果表明,在折射率为1.333 0—1.334 0的范围内,单偏置MZI的折射率灵敏度为-5 557 nm/RIU,而双偏置MZI的折射率灵敏度为-14 071 nm/RIU,该结果为实现高灵敏度液体折射率测量提供了重要理论依据。该传感器结构紧凑,整体长度只有1 200 μm,在液体折射率测量领域具有重要的应用价值。     

基于光纤锥和多模渐变光纤的马赫-曾德尔干涉仪的传感特性研究

提出了一种基于光纤锥和纤芯失配光纤结构的马赫-曾德尔干涉(MZI)传感器。在距离单模光纤(SMF)锥25mm处熔接一段长30mm的多模渐变光纤(GI MMF),形成SMF-光纤锥-SMFGI MMF-SMF结构。其中,光纤锥起到增加包层模能量的作用,GI MMF为传感臂。传感器外界环境温度、折射率及应力的改变都会使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,从而引起传感器干涉谱发生变化,通过监测干涉谱的变化可以实现对外界物理量的测量。实验研究结果表明,当环境溶液温度在30~89℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为78.6pm/℃,线性度为0.997;环境溶液折射率在1.333~1.394变化范围内,传感器的折射率灵敏度为81.48dB/RIU,线性度为0.989;轴向应变在0~933.3με变化范围内,传感器的应变灵敏度为0.33×10-2 dB/με,线性度为0.998。本文传感器可以实现多个物理量的同时区分测量。     

一种熔融拉锥型折射率和温度传感器

该文设计并制作了一种基于熔融拉锥技术的温度和折射率传感器。该结构是将一段单模光纤(SMF)两端级联无芯光纤(NCF),并通过火焰熔融拉锥技术把中间的单模光纤进行拉锥处理,从而构成了马赫曾德尔光纤干涉仪(MZI),两个无芯光纤分别充当分束器和耦合器。实验研究了该传感器对于温度和折射率的光谱响应特性,研究表明,当温度升高时,透射光谱出现红移现象,其响应灵敏度为43.96 pm/℃,线性度为0.990 5。当传感结构置于折射率1.341 6~1.382 32的蔗糖溶液中时,透射光谱强度随着折射率的增加而变大,其响应灵敏度为36668 dB/RIU,线性度为0.989。     

高灵敏度液封光纤马赫-曾德干涉仪温度传感器

提出一种结构简单且灵敏度高的液体封装结构光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)温度传感器,并对其折射率和温度响应特性进行了理论分析和实验研究。3段单模光纤(SMF)采用锥腰扩大熔接技术顺次熔接构成同轴式光纤MZI,结果表明MZI对环境折射率非常敏感;然后,将MZI封装在充满Cargille液体的毛细管中,结果表明液封后的MZI在测试温度范围内(10~40℃)的灵敏度约150pm/℃,较之封装前提高了1倍,且远高于大多数的光纤光栅和其它光纤干涉仪型温度传感器。本文MZI温度传感器还具有良好的物理强度和易于制备等优点,在环境监测和食品工业等领域具有良好的应用前景。     

基于MZI与DSO的高灵敏度光纤温度传感器

该文介绍了一种基于马赫-则德尔干涉仪(MZI)与二甲基硅油(DSO)相结合的高灵敏度光纤温度传感器。传感器由 MZI及填充在其表面的 DSO 组成。MZI由单模光纤-锥形无芯光纤-单模光纤构成。填充 DSO 后, MZI的谐振峰向右有小的漂移。通过跟踪 MZI谐振峰波长随温度的变化,对环境温度进行测量。经测试,传感器的温度灵敏度为-97．7pm/℃,而未填充 DSO 的 MZI温度灵敏度为-50．1pm/℃,传感器灵敏度提高了约1．95 倍。该传感器具有结构制作简单,造价低及灵敏度高等优点,具有一定的应用前景。     

基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究

基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪(MI)原理,结合光纤传感器的特性,设计和实现了一种单模光纤(SMF)偏芯干涉仪结构光纤折射率传感器,并针对蔗糖溶液进行了折射率的测量。实验结果表明:这种传感器的传感范围在1.33～1.39时,特征波长与外界折射率有单调的递减变化关系,蔗糖折射率每变化0.01时,特征波长平均变化约为0.12nm。这种传感器结构简单,灵敏度较高,能够实现液体折射率与浓度变化的在线检测。     

基于多芯光纤错位熔接结构的温度与折射率同时测量传感器

提出了一款由输入单模光纤(SMF)-多芯光纤(MCF) -多模光纤(MMF)-输出SMF错位熔接构成的光纤Mach-Zehnder 干涉仪(MZI)结构,实现了环境温度和折射率的同时测量。实验结果表明,随着环境温度的 变化,传感器透射谱峰值波长线性漂移,灵敏度达 到54.238pm/℃,而透射谱峰值强度随温度变化不敏感;随着环境折 射率的变化,传感器透射谱峰值 强度线性变化,灵敏度达到10.704dB/RIU(RIU为折射率单位),而透 射谱峰值波长随环境折射率变 化不敏感。通过同时监测传感器输出光谱的峰值波长漂移量和峰值强度变化量,能够实现温 度与折 射率的同时测量。在温度与折射率测量时分别利用波长调制法与强度调制法,因此它们同时 测量不 存在交叉感染。本文传感器具有结构简单、制作容易和灵敏度高等优点,在生物、化学和医 学等领域有广泛的应用前景。     

细芯光纤M-Z干涉传感器多参数测量研究

实验制备了基于细芯光纤(TCF)的马赫-曾德尔干 涉仪(MZI)并进行了多参数测量传感研究。 传感器采用两段单模光纤(SMF)进行腰椎放大连接细芯光纤,形成MZI结构。利用TCF与SMF 的纤芯直径不匹配,在第1个接点激发出包层模式,包层模在第2个接点耦合进纤芯与纤芯 模产生 干涉,利用干涉条纹的波长漂移实现对外界环境参量的测量。实验所用的TCF纤芯的掺Ge浓 度较高(约为38mol.%),相对折射率和热光系数较普通SMF大,所以在保证 适当的自由光谱范围(FSR) 的前提下,TCF的长可以减小到2mm,传感头尺寸较小,且传感结构对于温度的变化十分 敏感。 实验结果表明,在30～250℃的温度范围内,其温度灵敏度为70.2pm/℃,并具有较好的线 性响应度。测试了传感器对折射率、应变和弯曲的响应,获得的灵敏度分别为－8. 12nm/RIU、1.8pm/με和2.07nm/m－1。     

直接熔融塌陷光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪的折射率传感特性

研制了一种直接熔融塌陷锥形光子晶体光纤(PCF)马赫-曾德尔干涉仪(MZI)传感器,它是通过电弧放电的方法使光子晶体光纤空气孔受热塌陷,从而直接在光子晶体光纤上形成一个锥区制作而成的,可通过控制电弧参数以及放电次数来灵活控制锥区结构。研究了不同锥区长度下的输出光谱及其传输光谱随外界(RI)折射率的变化关系。实验结果表明,随着锥区长度的增加,在整个波长范围内MZI输出光谱的自由光谱区减小,且自由光谱区在1554.34nm波长附近由33.38nm减小到7.86nm。在1.3414~1.3862折射率变化范围内,该传感器的折射率测量灵敏度可达276.38nm/RIU(RIU为折射率单位)。     

基于长周期光纤光栅和Sagnac环的温度与折射率的区分测量

利用长周期光纤光栅(LPFG)和保偏光纤(PMF)Sagnac环透射光谱的调制特性,设计了温度和折射率同时区分测量系统。通过监测LPFG嵌入Sagnac环的透射谱中谐振峰波长和强度的变化,测定了波长和强度对温度和折射率的灵敏度系数,构建了传感系数矩阵。实验发现,谐振峰波长随温度变化,谐振峰强度随折射率变化,实现了温度与折射率的区分测量。实验测得该系统的温度灵敏度0.1 286nm/℃,折射率灵敏度为49.38dB/RIU。实验结果验证了方案的正确性,且实验系统搭建简便,体积小,成本低,具有一定的应用前景。     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31~1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU-1,折射率测量精度为2.94×10-5RIU。     

基于空心光纤多模干涉的折射率传感器研究

基于空心光纤(HF)多模干涉原理提出一种新颖光纤折射率传感器,实现了对环境溶液折射率的测量。这种光纤折射率传感器不仅制作简单、成本低廉,而且为波长编码、抗干扰性好。实验表明,这种光纤折射率传感器其有效传感范围为1.333～1.450,并且当溶液折射率小于1.40时,特征波长与折射率近似呈线性关系,灵敏度为88.07 nm。针对相同折射率不同溶质的溶液,传感器出射光谱能量差异表明,该结构的光纤传感器在物质检测方面有着潜在的应用。     

正十二边形光子晶体光纤光栅特性的研究

设计了一种包层结构为圆形空气孔呈正十二边形对称排列的光子晶体光纤,通过Comsol软件结合有限元法,得出各波长与传输模式有效折射率之间的函数关系。结合耦合模理论和传输矩阵法,利用Matlab软件,对正十二边形结构的光子晶体布拉格光纤光栅的反射谱特性进行了研究分析,具体分析了不同占空比下的传输模式以及反射谱特性。研究表明随着光波波长的增加,传输模式的有效折射率随之下降;随着空气孔层数的增加,谐振波长增大,谐振峰强度增强。随着占空比的增大,传输模式数增多,谐振波长减小,而谐振峰强度基本不变。     

基于倾斜光纤光栅及其表面等离子效应的折射率传感比较研究(英文)

介绍了倾斜光纤光栅作为折射率传感器的测量原理,给出它的倾斜角8°与中心波长1550nm的反射谱与透射谱,分析了具有表面等离子的倾斜光纤光栅传感机理。为验证折射率传感的可能性与优点,进行了蔗糖浓度溶液的裸倾斜光纤光栅与镀金的倾斜光纤光栅的折射率测量分析,证明镀金后的表面等离子效应倾斜光纤光栅折射率传感器其灵敏度大大增加。     

高斯切趾光纤Bragg光栅折射率传感器特性研究

基于3层结构和双层结构光纤波导理论,对不同腐蚀深度的高斯切趾光纤Bragg光栅(H3G)的基模谐振波长与外部介质折射率(SRI)间的关系进行理论仿真,并通过实验研究其谐振波长、3 dB带宽及反射峰强度对SRI的响应特性.实验表明,随着SRI逐渐增大,基模谐振波长向长波方向的移动幅度越来越大,与仿真结果基本吻合;3 dB...     

弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的研究

为了研究弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器谐振波长漂移量与光栅弯曲形变的关系,采用耦合模理论和计算机模拟方法进行了理论计算和仿真研究,推导出弯曲光子晶体光纤长周期光栅谐振波长表达式,设计了一般弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器系统模型,分析了弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的基本工作原理,并计算了长周期光子晶体光纤光栅弯曲曲率、光栅有效折射率和谐振波长与弯曲应变的关系。结果表明,随着光栅弯曲形变的增加,光栅的曲率会增加,光栅传感器的谐振波长漂移量会增加,光栅每发生1变化,光栅谐振波长的漂移量变化0.014nm。     

基于M-Z滤波和LPFG的液体折射率传感特性研究

利用飞秒激光逐线刻写方式在HI1060光纤中制作谐振波长为1548.5 nm,谐振强度为7 dB,栅区长度为3.2 mm的长周期光纤光栅。通过纤芯错位熔接方法在HI1060光纤中制作马赫曾德-干涉仪(MZI),对LPFG的透射光谱进行滤波优化。设计使用不同折射率的酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液分别对基于MZI滤波的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在酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液中的折射率灵敏度分别为301.78 nm/RIU、138.80 nm/RIU和132.67 nm/RIU。     

基于液晶超薄涂覆层的长周期光纤光栅温度特性的研究

采用液晶超薄涂覆层的双包层光纤模型,利用耦合模理论对长周期光纤光栅涂覆层折射率、温度特性进行研究,并通过实验和计算机模拟,得出长周期光纤光栅透射谱谐振波长于超薄涂覆层折射率及温度的关系。