马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器。将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7cm、锥腰直径为30.1μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系。将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器。从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86nm/℃。该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域。     

基于内壁芯光纤的调制器件

提出一种基于中空内壁悬挂芯光纤构造而成的光纤集成调制器.该光纤具有孔道结构,纤芯悬挂于孔道内壁.合成了含有超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的磁流体,通过将空心光纤与多模光纤熔融连接,将磁流体封装在空心光纤内部,作为悬挂纤芯的包层.磁流体通过倏逝场对光产生吸收作用,由外磁场控制吸收强度,实现对纤芯的光调制.波长为632.8 nm的光经过拉锥耦合点耦合进入、传出调制元件.实验结果表明,在不同磁场强度下,仅仅2.0×10-3 μL的磁流体就可以对系统光衰减产生明显影响.当磁场强度为38 914 A/m时,饱和调制深度为43％;系统的响应时间低于120ms.该系统还可用于光开关,光纤滤波器和磁传感器等.     

FBG级联MZI的温度和酒精溶液浓度传感特性研究

为了测量白酒蒸馏过程中的温度和酒精溶度,制作了一种基于马赫曾德仪(MZI)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的可同时测量温度和酒精溶液浓度的光纤传感器。FBG是利用飞秒激光逐线刻写的方式在单模光纤(SMF)中制作的周期为2.2μm,布拉格波长为1 591.21 nm,透射谱深度可达23 d B的4阶光纤布拉格光栅;MZI是将细芯光纤和SMF采用纤芯错位和锥腰扩大熔接技术制作的腔长为8.7 mm,对比度为28.5 d B的透射式光纤干涉传感器。基于多光束干涉理论对传感器的温度和酒精溶液浓度传感特性进行分析,利用MZI干涉波谷与FBG透射峰的灵敏度差异,结合灵敏度系数矩阵实现对温度和酒精溶液浓度的同时测量。实验中,传感器的酒精溶液浓度和温度灵敏度分别可达-41.37 pm/%和58.96 pm/℃。该传感结构在白酒酿造产业有潜在的应用前景。     

基于全保偏光纤的反射式双折射干涉温度传感器

为了解决透射式光纤温度传感结构不利于测试、灵敏度不高的问题,提出并设计了反射式熊猫型保偏光纤双折射干涉温度传感器。首先通过理论分析并数值仿真研究了熊猫型保偏光纤传感臂长度、转轴角度与温度传感灵敏度之间的关系,并通过在传感臂端面镀金的方式提高反射率。在此基础上,搭建了光纤温度传感测试系统,测试结果表明,在转轴熔接45°、保偏光纤传感臂长度L=80 cm的条件下,50℃～56℃范围内传感器灵敏度可以达到2.741 nm/℃;在保偏光纤传感臂长度为L=7 cm、转轴熔接30°的条件下,65℃～76℃范围内传感器灵敏度为1.400 nm/℃。最后,把设计的温度传感器用于卫星模型温度的测量实验,验证了传感器应用的可行性及有效性。不同波长波谷的漂移量与温度变化呈现良好的线性关系。     

倾斜光纤光栅周期对其透射谱的影响

倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅,近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论,仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明,纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度,且能够实现单光纤多测量的目的。     

具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器

提出了一种基于铽镝铁(TbDyFe)的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器。传感器由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和TbDyFe组成,拱形微纳光纤通过紫外胶(UV glue)粘接在TbDyFe上。与非拱形微纳光纤相比,拱形光纤可将TbDyFe的伸长转化为光纤曲率半径的变化,引起干涉波长偏移,从而实现磁场灵敏度的提高。随着磁场强度升高,拱形微纳光纤的干涉波长蓝移,灵敏度为47.81 pm/mT,FBG对磁场不敏感,拱形微纳光纤传感器的磁场灵敏度比非拱形高11.66倍。升温过程中拱形微纳光纤的干涉波长发生蓝移,温度灵敏度为43.02 pm/℃,FBG的干涉波长发生红移,温度灵敏度为9.34 pm/℃。磁场传感器显示出良好的重复性和线性,级联的FBG对磁场不敏感,可以实现对磁场传感器的温度补偿。     

基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率

利用单模光纤(SMF)中的包层模与纤芯导模之间的干涉,提出了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构与布拉格光栅(FBG)级联可同时测量温度和折射率的传感器.基于MSM结构的干涉谱和FBG的透射峰对温度和折射率具有不同响应灵敏度的特点,利用敏感矩阵实现了对温度和折射率的同时测量.实验测得MSM结构和FBG的温度灵敏度分别为0.055 2 nm/℃和0.015 8 nm/℃,MSM结构的折射率灵敏度为109.702 nm/RIU,而FBG对折射率变化不敏感.温度和折射率的测量精度分别为士0.32℃和士0.002 3.实验显示提出的MSM结构的温度灵敏度比单模-多模-单模(SMS)结构传感器提高了5倍,同时由于SMF中的包层模对外界环境的变化较敏感,该MSM结构也可应用于其他传感领域.     

基于平膜片和悬臂梁的光纤光栅压力响应特性研究

提出一种基于平膜片和等强度悬臂梁的组合式光纤光栅压力传感结构,应用材料力学和耦合模原理,分析得出了粘贴在悬臂梁上的双光纤光栅的中心波长偏移量与外界均匀压力成正比的结论,并应用软件仿真模拟了基模谐振波长的压力漂移特性。结果表明:布拉格谐振波长随压力线性增长,双光栅的组合使用,提高了测量灵敏度,解决了温度交叉敏感问题,这一结论对光纤光栅的生产和应用有一定的指导作用。     

纤芯失配的光纤Mach-Zehnder折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器;多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同的模式有不同的模式折射率,经中间单模光纤传输到错位熔接点处时,不同模式光之间将产生光程差,经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明：溶液折射率变化为1.358 9~1.392 2时,干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系,可用于折射率的测量;折射率变化为1.372 0~1.392 2时,传感器响应曲线具有很好的线性度,线性拟合系数为0.998,对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。     

基于微纳光纤Sagnac环结构的光学电流传感器的响应特性研究

磁流体具有固体物质磁性及液体流动性的特性,且无本征矫顽力,无剩磁,磁场响应速度快,灵敏度高,将微纳光纤Sagnac环特殊的光传输性能与磁流体独特的磁光特性相结合,提出了一种基于磁流体包覆微纳光纤Sagnac环的全光纤电流传感器.理论推导了传感器的电流传感机理,设计了传感器的封装方法,并对传感器的温度特性和传感特性进行了...     

扭转螺旋型力学微弯长周期光纤光栅的光谱特性

利用两个交替放置的周期性V型刻槽板对均匀扭转后的普通单模光纤径向施力制作螺旋型力学微弯长周期光纤光栅(H-MLPFG)。通过实验研究了周期压力和扭转率对该光栅传输谱特性的影响,以及其偏振相关特性。结果表明,施加在光纤的径向压力可以改变H-MLPFG的耦合强度,但不影响其谐振波长变化,LP_(13)耦合模耦合强度在波长1 549.75nm处为30.1dB。当光纤扭转率由0增大到5.38rad/cm,LP_(11)、LP_(12)和LP_(13)模对应的扭转灵敏度分别为1.59、1.82和2.24nm/(rad·cm~(-1))。光纤扭转率为0.90rad/cm时,LP_(13)包层模具有最大偏振相关损耗,在波长1 550.45nm处偏振相关损耗约为6.86dB,对应的谐振波长分离值为1.4nm。该方法制作的LPFG模式耦合强度和谐振波长具有可调谐和可重构性的优点、且结构简单,在光纤通信和传感领域具有潜在的应用价值。     

基于倾斜光纤光栅的液位传感特性研究

研究了一种基于倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)的液位传感器,利用OptiGrating软件仿真分析了外界折射率和温度对TFBG透射谱的影响,仿真结果表明,当外界折射率为1.408～1.444时,TFBG透射谱包层模的透射谱幅值随外界折射率的增大逐渐减小,且不受温度的影响,但峰值波长随温度升高而增加。同时,搭建了液位和温度测量实验装置,对不同浓度的5种甘油溶液进行液位测量,并采用包层模归一化面积作为液位测量量度来提高灵敏度,证实随着液位的升高,归一化面积逐渐减小,且溶液折射率越接近包层折射率,液位测量灵敏度越高。同时,可利用TFBG布拉格谐振峰中心波长的漂移量与包层模归一化面积实现温度与液位的同时测量。     

基于错位偏移无芯光纤的高灵敏度湿度传感器北大核心CSCD

提出一种通过错位偏移拼接的高灵敏度光纤湿度传感器,使用无芯光纤进行错位结构熔接,形成马赫-曾德尔干涉结构。在结构的错位端面采用具有良好吸水性的聚乙烯醇(PVA)作为涂覆层材料,对传感器进行了理论与试验的研究。实验结果表明:所提出的传感器具有良好的折射率特性和湿度特性,灵敏度可达-77.4284 nm/RIU,此外涂覆PVA的传感器在测量湿度的同时提高光纤传感器的机械强度,使错位光纤传感器在工程应用中得以应用。     

基于遗传算法的光波导-光纤自动调芯系统的研究

开发了一种新的自动调芯方法,在光纤-波导-光纤的自动对接中导入了遗传算法原理。数值仿真表明该方法达到了小于0.0001dB的插入损耗。完成了调芯系统样机,单模光纤-单模波导-单模光纤的自动对接实验显示,在1310nm和1550nm波长上,光纤-波导端面耦合损耗平均值分别为0.134dB和0.109dB,标准误差分别为0.009dB和0.012dB,调芯时间累计不超过8m in。     

基于无芯光纤与光栅级联的反射式大量 程高分辨力海水温度传感器

针对海洋环境探测中海水温度的大量程高分辨力测量需求,本文提出并验证了一种基于无芯光纤(NCF)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的反射式传感器。传感器的制作过程包括将刻有FBG的单模光纤与带有涂覆层的NCF熔接,之后在NCF的端面上镀金膜形成反射镜,最后将光纤结构封装于毛细管中。其中,无涂覆层的NCF是多模波导,而有涂覆层的NCF可以看作反谐振反射波导,理论分析可知多模干涉和反谐振效应叠加得到输出光谱。由于聚合物涂覆层的热光系数较高,干涉波长的位置随着温度变化发生明显偏移。根据FBG中心波长和干涉波长所在位置,通过对应的拟合曲线可以计算出准确的温度值。实验结果表明,在-6℃～54℃温度范围内,最小可探测温度分辨力为0.000 1℃。该反射式光纤传感器具有加工方便、结构紧凑、灵敏度高等优点,在大范围高分辨力海水温度测量中具有很大的应用潜力。     

双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性

对适用于温度传感的双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪进行了研究,并通过将一根单模双芯光纤熔接在两根单模光纤之间,制得了双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪型梳状滤波器.用干涉原理分别分析了该器件传输谱的自由空间谱宽与波长、双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率差的关系,实验检测了它的温度特性.结果显示,随着温度的升高,该器件的传输谱发生红...     

一种无热化高灵敏度的杂散电流光纤传感器

为了保证地铁系统安全运营,需要温度敏感性低、测量灵敏度高的杂散电流传感器。因此,文中研究了一种无热化高灵敏度的杂散电流光纤传感器关键技术。采用传感光纤环匝数与多层螺线管匝数兼顾的"双取值法",设计一种"光电互绕"式的传感探头结构;以毕奥-萨伐尔定律为基础,运用COMSOL Multiphysics仿真多层螺线管产生的磁场分布特征和光纤支架上温度变化规律,优化结构设计和无热化设计,使传感器具有较高灵敏度和温度稳定性。     

基于SMS光纤结构高灵敏度应力测试与分析（英文）

SMS传感器结构简单、成本低廉、易于铺设,被广泛的应用于弯曲、位移、温度、应变、折射率等参量的测量,近年来成为研究的热点。本论文利用大芯径多模光纤制作SMS结构以实现高灵敏度的光纤传感结构。首先,将纤芯/包层直径为105/125微米的多模光纤通过单模光纤接入光纤系统,实现SMS光纤结构,通过对多模光纤进行偏轴熔接的手段制作SMS器件结构;然后对单模-多模-单模光纤结构的模式干涉效应和光谱响应特性进行理论分析;最后,借助宽谱光源和光谱分析仪测试了单模-多模-单模光纤结构随应力变化的透射光谱特性,通过对波峰随着应力改变而发生变化的曲线的观察,计算出其灵敏度,发现实验值与理论值基本吻合。     

基于SMS光纤结构高灵敏度应力测试与分析

SMS传感器结构简单、成本低廉、易于铺设,被广泛的应用于弯曲、位移、温度、应变、折射率等参量的测量,近年来成为研究的热点.本论文利用大芯径多模光纤制作SMS结构以实现高灵敏度的光纤传感结构.首先,将纤芯/包层直径为105/125微米的多模光纤通过单模光纤接入光纤系统,实现SMS光纤结构,通过对多模光纤进行偏轴熔接的手段制作SMS器件结构;然后对单模-多模-单模光纤结构的模式干涉效应和光谱响应特性进行理论分析;最后,借助宽谱光源和光谱分析仪测试了单模-多模-单模光纤结构随应力变化的透射光谱特性,通过对波峰随着应力改变而发生变化的曲线的观察,计算出其灵敏度,发现实验值与理论值基本吻合.     

机械感生长周期光纤光栅的实验

为了研究机械感生长周期光纤光栅 (MLPFGs) 的特性,利用机械微弯法写制了长周期光纤光栅.采用机械先加工技术制作了周期性压力槽,通过设计机械写制结构,制作了MLPFGs,并实验验证了周期性压力槽的周期、周期数以及外加应力等参数与MLPFGs透射谱的关系.最后, 研究了温度对带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs的影响.实验表明:MLPFGs的最大谐振峰值可达16 dB,插入损耗＜0.5 dB; 通过改变压力槽的周期,实现了谐振波长＞14 nm的调谐范围;带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs谐振波长的温度灵敏度分别为 0.057 nm/℃,0.086 nm/℃,谐振峰值的温度灵敏度分别为 0.230 dB/℃,0.312 dB/℃.该写制结构能较好地控制MLPFGs的透射谱,同时结构简单、易擦除、成本低,在光纤传感领域具有一定的应用价值.