基于柱矢量模式的光纤迈克尔逊传感特性研究

基于涡旋光纤(vortex fiber,VF) 激发的柱矢量模式(cylindrical vector modes,CVMs) 设计了迈克尔逊干涉仪传感器,并对轴向应变、温度和折射率传感特性进行了理论研究和实验验证。 通过对VF施加一个微弯长周期光栅(microbend long period gratings,MLPG),激发一阶CVMs(TE₀₁、HE₂₁和TM₀₁);在VF尾端加反射镜,反射后纤芯中的基本模式HE₁₁与环芯中的CVMs产生干涉,构成了迈克尔逊干涉仪。实验测得对应于柱矢量模式TM₀₁、HE₂₁和TE₀₁的应变灵敏 度分别为-1.1 nm/mε、-1.1 nm/mε和-2.1 nm/mε,温度灵敏度分别为9.3 pm /℃,3.4 pm /℃和-2.4 pm /℃,而折射率不敏感。该传感器结构简单,且TE₀₁模式具有最高应变灵敏度和最低温度灵敏度,可作为折射率不敏感的、温度交叉灵敏度低的理想无补偿应变传感器,是智能型工程结构中下一代传感器的理想选择。     

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。     

一种两段式FBG应变和温度同步测量的实现

为解决光纤布拉格光栅(FBG)的应变和温度交叉敏感性问题,本文基于FBG纤芯有效折射率与纤芯半径的良好相关性,提出一种半腐蚀FBG的新颖结构。即一根FBG被分成等长两部分,用HF酸腐蚀其1/2区域直到纤芯半径。采用传输矩阵法和纤芯基模有效折射率的色散方程对两段式FBG建模,利用Mathcad 15计算软件进行数值仿真和模拟。仿真结果表明,FBG反射峰发生分裂,即一个反射峰分裂为两个,且当纤芯半径变小时,腐蚀段FBG谐振波长蓝移,而未腐蚀段FBG谐振波长基本不变;纤芯半径越小,两段FBG谐振波长的间距越大。实验结果表明,实现了应变和温度的同步测量,得到应变和温度的传感精度分别为7.2με和1.1℃。     

基于多模与熊猫光纤耦合的温度与应变特性研究

该文基于多模与熊猫光纤耦合设计了一款新型马赫曾德尔干涉仪传感器,该传感器对温度和轴向应变均较灵敏,在温度或应变变化时,传感器透射谱谐振峰波长发生线性漂移,通过考察谐振峰波长偏移量来感知应变与环境温度。实验结果表明,测得最大温度灵敏度为65.45 pm/℃,最大应变灵敏度为-1.9 pm/με。利用传感器透射谱谐振峰两个波谷的温度和应变灵敏度构建测量矩阵,实现了温度与应变的同时测量,消除了交叉敏感。     

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。     

强耦合七芯光纤超模式布拉格光栅及其温度和应变响应特性研究

提出并实现了一种用于双参量同时测量的强耦合七芯光纤布拉格光栅(SCF-FBG)。在透射光谱中观察到2个布拉格谐振峰，对应SCF的类HE₁₁和类HE₁₂超模式反向谐振耦合。该传感器由SCF拼接在中心对齐的2个标准单模光纤构成，其透射谱中还包括由超模式间的马赫-曾德尔干涉产生的干涉条纹。分别测量了该器件对温度和应变的响应，结果表明：2个布拉格谐振峰的温度灵敏度分别为9.56 pm/℃和9.55 pm/℃，应变灵敏度分别为0.64 pm/με和0.584 pm/με。其中，干涉谷的温度灵敏度和应变灵敏度分别为11.8 pm/℃和-0.925 pm/με，因此该器件能够同时用于温度和应变的测量。     

多芯光纤构成的温度与折射率同时测量的光纤传感器

本文设计了一种“单模光纤－多模光纤－多芯光纤－多模光纤－单模光纤”的全光 纤 Mach-Zehnder干涉仪结构。在该结构中多模光纤充当耦合器,不同模式的光在多芯光纤中 传输时将 产生光程差,形成Mach-Zehnder干涉。当环境温度和折射率变化时,通过分析干涉仪透射 光谱中不 同谐振峰的漂移量,实现折射率与温度的测量。实验结果表明,传感器低温灵敏度最高达到 46.0 pm/℃, 高温灵敏度最高达到109.0 pm/℃,折射率灵敏度最高达到54.3 nm/RIU(RIU为折射率单位)。另外, 通过同时监测传感器透射谱的两个谐振峰值波长随环境温度和折射率的漂移情况,实现了环 境温度 与折射率的同时测量,不存在交叉敏感。该传感器结构简单、制作容易、重复性好、响应稳 定、具 有多路复用功能,在传感领域有广泛的应用前景。     

温度不敏感的少模光纤应变传感

为了解决光纤传感器中普遍存在的温度和应变交叉敏感问题,基于少模光纤的模间干涉原理,研究了LP01和LP02模式干涉的应变和温度传感特性,详细分析了模间干涉传感的相位灵敏度理论。结合少模光纤的数值仿真结果,设计了一种温度不敏感的应变传感少模光纤,其纤芯直径为15.1μm,在1550nm下纤芯折射率为1.4512,包层折射率为1.444。搭建了实验系统来研究少模光纤温度和应变传感特性,结果表明:理论计算能够较好地预测实验结果;少模光纤在0~600μm范围内,应变的相位灵敏度为0.0196rad/μm,在30~330℃范围内,对温度不敏感,可有效改善温度和应变的交叉敏感问题。     

边孔光纤长周期光栅的传感特性研究

采用CO₂激光脉冲技术在边孔光纤(SHF)上 写入长周期光栅(LPG),并对其温度、外界折射 率和弯曲的传感特性进行测试。实验表明, 当温度从20℃升高到80℃时,SHF-LPG的谐振波长随温度升高线性蓝移6.51nm, 温度灵敏度为－0.11nm/℃。其对外界折射率的敏感 度随折射率升高而增加,越 接近光纤包层的有效折射率灵敏度越高,测量范围为1.34-1.44;其 谐振波长随弯曲曲率的增加线性红 移,但弯曲传感灵敏度具有较强的方向相关性,最大达到9.36nm/m －1。     

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。     

包层腐蚀机械写制长周期光纤光栅的耦合特性研究

利用周期为600μm的刻槽板,采用单面受压的方式包层对经过HF溶液腐蚀后的单模光纤施加压力,形成机械写制长周期光纤光栅(LPFG).通过测最具有不同包层直径的机械写制LPFG在各种压力下的透射光谱,研究包层直径对纤芯基模与包层模LP12、LP13间耦合特性的影响.实验结果表明,随着包层直径的减小,谐振波长发生红移,耦合...     

Sensitivity-enhanced fiber optic temperature sensor with strain response suppression

A temperature sensor based on a multimode–singlemode–multimode (MSM) fiber structure has been proposed and experimentally demonstrated. By utilizing the interference between fiber core and cladding modes, temperature measurement is exploited by monitoring the selected resonant dips shift of the transmission spectrum. A high temperature sensitivity of 50.65 pm/°C is achieved at a certain resonant dip, accompanied by a suppressed strain sensitivity of only 0.587 pm/με. The sensor reveals the advantages of easy fabrication and interrogation, low cost and small axial strain response.     

Strain sensor without temperature compensation based on LPFG with strongly rotary refractive index modulation

The strain and temperature characteristics of a novel long-period fibre grating with strongly rotary refractive index change modulation (S-R-LPFG) was investigated, this believed to be for the first time. It was observed that the two split resonant peaks continually separated when the strain was applied to it, and the temperature sensitivities are all 0.07 nm/degC. Such kinds of S-R-LPFG can be used to measure strain by using the wavelength difference between the two split peaks, which do not need temperature compensation because the two peaks shift to the same direction and have the same temperature sensitivity when environmental temperature changes.     

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。     

一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器的设计

提出了一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器,三个纤芯包括两个相同的单模纤芯和一个少模纤芯,在少模纤芯中写入长周期光纤光栅以实现单模纤芯中LP01模与少模纤芯中LP11模间的转换。同时从两个单模纤芯输入LP01模,能激发少模纤芯中两个简并的LP11,a模和LP11,b模。采用光束传播法分析了该模式复用器/解复用器的耦合特性及串扰。数值模拟结果显示,若以少模纤芯中LP11模输出能量大于-1dB的波长范围作为该模式复用器/解复用器的工作带宽,则能够达到23nm,并且少模纤芯中生成的其他模式的输出能量皆比LP11模的输出能量小-21dB以上。该模式复用器/解复用器能够实现对少模光纤的模式复用与解复用,并具有极低的串扰。     

Resonant ring fiber filters

We have studied structures where a concentric ring with an index higher than that of the cladding index is added to a conventional fiber core. The structure supports at least one additional symmetric mode with substantial power in the ring, besides the normal mode in the core. Within certain designed parameter regimes, the propagation constants of the lowest two symmetric modes cross at a certain wavelength. This is equivalent to saying that the LP01 mode can change from having more power in core to having more power in ring at a certain wavelength or vice versa. At this resonance, each of the two modes has substantial power in the core and the ring. This resonant nature of the structure creates a strong wavelength dependent mode field for LP01 and LP02 modes near the resonance wavelength. Filters based on this principle are demonstrated for the first time     

LPFG带通滤波器的芯模阻隔器设计与制作

为有效地阻挡长周期光纤光栅（LPFG）器件芯模,实现包层模提取技术,提出了利用磁流变液实现芯模阻隔（CMB）的新方法。从模式耦合理论出发,基于LPFG的单多模级联网络结构,分析了LP01模和HE13包层模与多模光纤（MMF）耦合效率随CMB器芯径的变化规律,并对CMB器尺寸进行了优化设计。根据理论分析结果,将磁流变液注...     

LGS声表面波双模温度传感器研究

该文研究了基于硅酸镓镧（La3Ga5SiO14,LGS）压电衬底的声表面波(SAW)谐振器的瑞利波模式谐振频率和体声波模式谐振频率的温度特性,并利用这两种模式构建了一种宽温度范围的具有线性输出特性的温度传感器。研究结果表明,基于LGS衬底的谐振器的瑞利波模式和体波模式的谐振频率均与温度成二次函数关系,且二阶频率温度系数接近,利用此特性构建的双模温度传感器测试结果和热电偶测试结果基本一致。该文提出的这种双模温度传感器可获得全温度范围的线性输出特性,可应用于LGS高温SAW温度传感器。     

Compact In-Fiber Interferometer Formed by Long-Period Gratings in Photonic Crystal Fiber

We reported the design and implementation of an in-fiber Mach–Zehnder interferometer (MZI) based on a pair of long-period gratings (LPGs) written on a photonic crystal fiber (PCF). The LPG was fabricated by using a pulsed CO$_{2}$ laser to carve grooves periodically along the PCF. The MZI relies on the interference between the fundamental core mode and a cladding mode of the PCF. The MZI was further demonstrated as a temperature sensor and a strain sensor. The temperature and strain sensitivities were measured to be 42.4 pm/$^{circ}hbox{C}cdot hbox{m}$ and $-$ 2.6 pm/$mu varepsilon $, respectively. We also fabricated an MZI on a single-mode fiber, which has a temperature sensitivity of 1215.56 pm/( $^{circ}hbox{C}cdot hbox{m}$) and a strain sensitivity of $+$ 0.445 pm/$mu varepsilon $.