增敏型级联双参量测量的光纤传感器北大核心CSCD

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。     

四方格子全固光子带隙光纤带隙特性研究

基于平面波展开法,对四方格子全固光子带隙光纤带隙随结构的变化特性进行了数值模拟,并与具有相同结构参数三角格子全固光子带隙光纤进行了比较,数值结果表明带隙的位置由高折射率棒的结构参数决定,而与高折射率棒的排列方式和棒之间的间距无关,这一结果与反谐振效应非常吻合。最后对理想和实际拉制出的四方格子的全固态光子带隙光纤的带隙进行了比较,得出了在设计光纤时,应利用较低的带隙的结论。     

光子带隙型光子晶体光纤温度传感特性分析

为了提高光子带隙型光子晶体光纤的温度灵敏度,提出了在纤芯环上并入高折射率液体圆柱的新结构,并利用全矢量有限元法对提出的结构进行了仿真,得到了温度对光纤有效折射率、纤芯能量和有效模面积等传输特性的影响。结果表明,随着温度的升高,光纤的有效折射率和有效模面积会减小,纤芯能量会增加,且零群速率色散点向短波长方向移动,尤其在短波长条件下光纤传输特性随温度变化趋势更加明显。该研究提高了光子带隙型光子晶体光纤传输特性的温度灵敏度,使其更加适合于温度传感方面的应用。     

基于纺锤型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器

设计了一种基于光纤纺锤型空气腔的三明治结构全光纤马赫-曾德尔折射率传感器。纺锤型空气腔是通过普通单模光纤和光子晶体光纤熔接后再拉锥形成的。锥区的纺锤型空气腔和包层分别作为参考臂和传感臂,从而形成马赫-曾德尔干涉。基于FDTD Solutions和COMSOL仿真软件分别对传感器的干涉条纹及锥区电场分布进行了仿真,得到了折射率传感器干涉条纹波谷波长和有效折射率与环境折射率的关系。当环境折射率为1.36~1.37和1.37~1.38时,灵敏度分别为1 377.6和1 436nm/RIU。此传感器具有极短的干涉臂,能够降低损耗,且具有较高的折射率灵敏度。     

基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器

基于多模干涉效应的单模-多模-单模(SMS)结构光纤折射率传感器通常需要进行包层腐蚀来提高灵敏度,而且易受环境温度影响。为克服SMS结构的这些不足,提出了一种新型的基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器,由单模光纤-色散补偿光纤-单模光纤(SMF-DCF-SMF)级联光纤布拉格光栅(FBG)构成,长度不超过100mm。对其灵敏度、线性范围和温度特性等进行了测试,实验结果显示在测量折射率为1.33～1.39的折射率液时,特征波长与折射率呈线性关系,灵敏度为232.8nm,级联的FBG具有良好的温度校准功能。     

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。     

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。     

基于飞秒激光直写的高折射率光纤光栅传感器

该文提出了一种基于飞秒激光直写的高灵敏度光纤光栅折射率传感器,同时测量了传感器的温度及轴向应变特性。采用波长为800 nm的飞秒激光刻写了周期为150μm,周期数为50,栅区长度为7.5 mm的长周期光栅。该传感器在折射率测量实验中的灵敏度最高可达1 605 nm/RIU,在30～330℃,温度灵敏度达到76.52 nm/℃,传感器的稳定性良好且对应变不敏感,鲁棒性优良。这种基于飞秒激光直写的长周期光纤光栅,其折射率灵敏度较高,耐高温,具有广泛的应用前景。     

小区域腐蚀的长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪传感特性研究

基于尾纤端面镀金属反膜的单根长周期光纤光栅,提出了一种包层部分腐蚀的长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪结构,提高了长周期光纤光栅(LPFG)的灵敏度。应用干涉原理,得出了长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪干涉波峰随外界环境折射率的变化关系。并从实验上对腐蚀前的长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪和带腐蚀结构的长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪的折射率传感灵敏度进行对比。结果表明,包层部分腐蚀的长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪反射谱中的干涉峰值对折射率传感的灵敏度得到了显著的提高,对于折射率为1.333和1.352的液体,干涉峰值的移动量从0.9 nm增加到3.4 nm。     

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。     

基于光子晶体光纤的光学传感

光子晶体光纤(PCFs)的应用在很多方面改善了传统光纤传感器的性能.基于 PCFs的光纤传感器对应力和液体折射率具有较高的传感精度以及更好的温度特性,并且可以灵活引入各种耦合结构单元组成干涉仪,介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光栅(LPG)和干涉仪的PCFs传感器的基本构造、工作原理和最新的研究进展.     

空心布拉格光纤及其在传感应用中的研究进展

基于一维光子带隙(PBG)效应导波机制的空心布拉格光纤(HC-BFs)具有灵活方便的带隙调控能力和优良的宽带低损耗传输特性,作为一类独特的光子带隙型空心光纤,在光波传输、色散管理与控制、光纤型器件和传感检测等领域表现出巨大的应用潜力.从光纤波导结构设计与导波模式传输特性、包层材料构成与光纤制备工艺,以及基于气态或液态被测物质填充中空纤芯的痕量气体检测和生化传感中的应用等方面对HC-BF研究的发展历程和新进展进行了综合评述.     

大尺寸气孔微结构光纤在光纤光栅中的应用

将微结构光纤分为光子晶体光纤和大尺寸气孔微结构光纤两种。详细介绍了大尺寸气孔微结构光纤。其包层的气孔硅结构（或者聚合物硅结构）影响了包层模式的空间分布以及包层模式的有效折射率，使其表现出与传统光纤不同的光学特性。基于这种微结构光纤的光纤光栅对外部折射率的变化显示了很好的稳定性。偏振特性（对长周期光纤光栅）可以大大加强。基于聚合物硅包层的长周期光纤光栅显示了优良的温度调谐性能。     

Guided properties and applications of photonic bandgap fibers

The authors have reviewed some of their recent studies on photonic bandgap fibers (PBGFs). PBGFs that confine light in the core by the photonic bandgap effect of cladding have potential applications in various photonic devices. In this paper, the guided properties and tuned mechanics of anti-resonant PBGFs are theoretically illustrated. The special coupling properties in multi-core PBGFs, such as decoupling and resonant coupling effect,are then introduced. Finally, fiber Bragg grating inscribed in all-solid PBGFs is theoretically and experimentally studied, and special resonant characteristics are also observed.     

光子晶体光纤的矢量有效折射率分析方法

由于具有复杂的折射率分布，光子晶体光纤一般需要采用数值方法进行研究。有效折射率方法最早用来研究光子晶体光纤的模式特征及其色散特性，但是一般采用标量近似的方法。建立了研究光子晶体光纤的矢量有效折射率方法，并用于计算光子晶体光纤的色散常数。类比于阶跃型折射率光纤，只需将电磁场所满足的相应的贝塞尔函数代入阶跃型折射率光纤所满足的矢量特征方程即可求解光子晶体光纤包层的有效折射率。采用矢量有效折射率方法的计算结果与基于有限元方法求解的数值结果和测量结果吻合得更好。     

Switchable-multi-wavelength fiber laser based on dual-core all-solid photonic bandgap fiber

In this paper, we propose and demonstrate a switchable multi-wavelength fiber laser based on a dual-core all-solid photonic bandgap fiber (PBGF) comb-like filter. The transmission properties of the dual-core all-solid PBGF are theoretically and experimentally investigated. Then the fiber ring laser based on the PBGF is realized and its wavelength-selective mechanisms are studied. By adjusting the polarization controller (PC), the number and location of the laser wavelength can be tunable.     

光子晶体光纤长周期光栅制作技术与应用最新进展

详细介绍了光子晶体光纤长周期光栅几种典型制作方法,包括相位掩模法、CO2激光脉冲激励法,机械压力诱导法、电弧放电法、液晶法和声波诱导法,并且分析了各种方法的优缺点,简单介绍了光子晶体光纤长周期光栅的温度、应变、折射率传感特性。简要介绍了光子晶体光纤长周期光栅在光通信和光传感领域的应用情况,并且展望了基于光子晶体光纤长周期光栅的新型光子器件的未来发展情况。     

PBF在1550nm传输波段受径向压力的影响研究

为了研究光子带隙光纤在1550nm波长下受径向压力的影响,采用有限元法做仿真计算进行了定量研究,并通过搭建实验系统对比分析了实测与仿真计算结果的差异。结果表明,限制损耗随径向压力变化的灵敏度为0.00067（dB/km）/（N/m）,归一化分界面场强F参量随径向压力的变化率为0.6810-6/（N/m）,折射率随径向压力的变化率为1.010-8/（N/m）。该研究为光子带隙光纤在光纤传感领域的应用提供了一种实验分析途径。