考虑温度影响的高灵敏度微压力传感器

提出了一种考虑温度影响的基于光子晶体的微压力传感器,传感器由微压力传感和温度传感两部分构成,其中微压力传感部分测量的是所处温度环境下的压力值.两部分传感器均利用波导和腔的耦合实现带阻滤波功能,根据带阻滤波器的模式在所处温度下线性红移,分别计算相应的温度值和该温度下的压力值,并通过热光效应和热膨胀效应计算出温度对器件材料折射率的影响,从而得到真实的微压力.文中对结构参数进行了优化设计,实现了1.33 nm/μN的微压力灵敏度.     

基于级联腔法布里-珀罗干涉仪的温度和压力同时测量

提出了一种基于级联法布里-珀罗干涉仪(CFPI)的光纤传感器,用于同时测量温度和压力.该传感器由单模光纤(SMF)、空心光纤(HCF)和双孔光纤(DHF)依次熔接在一起而构成.其中,HCF构成空气腔法布里-珀罗干涉仪(FPI),DHF构成石英腔FPI,两个FPI级联形成混合腔FPI.空气腔FPI通过DHF的空气孔与外部环境连通,实现对气压的高灵敏度传感;石英腔FPI利用二氧化硅的热光效应和热膨胀效应,实现对温度的高灵敏度传感.在0.1～0.6 MPa气压范围,60～260℃温度范围,实现的空气腔FPI的气压和温度灵敏度分别为4 nm/MPa和1 pm/℃,混合腔FPI的气压和温度灵敏度分别为0.5 nm/MPa和9 pm/℃.空气腔FPI和混合腔FPI对温度和气压的灵敏度不同,实现了温度和气压的双参数测量,同时该传感结构制造工艺简单,集成度高,灵敏度高.     

亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构的研究

提出了一种亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构,在结构中可产生导模共振模式、表面等离子激元共振模式和局域表面等离子体模式,模式之间互相耦合,从而在反射光谱中形成两个窄带共振缺陷峰。通过研究共振缺陷峰处磁场分布和结构参数对反射谱的影响,分析了结构中的共振模式。根据导模共振原理和表面等离子体共振形成条件,建立共振缺陷峰波长与结构参数之间的关系模型,通过观察共振缺陷峰波长的漂移实现待测样本气体浓度的动态实时监测。以多孔硅为传感载体、甲醛气体为待测样本,分析传感器的品质因数和灵敏度。结果表明,两个窄带共振缺陷峰的品质因数分别可达42.3RIU-1和78.5RIU-1,灵敏度分别为466nm/RIU和628nm/RIU。     

SiO_2-Al_2O_3-SiO_2光子晶体缺陷腔的折射率传感特性

为了提高光子晶体折射率传感器的灵敏度和品质因数,提出了一种基于表面波谐振原理的缺陷态光子晶体-棱镜耦合传感结构。通过分层传输矩阵法对该结构建立传感理论模型,得出古斯汉欣位移与谐振波长的变化关系,从而建立谐振波长与待测样本折射率的关系模型。以SiO2-Al2O3-SiO2作为缺陷腔来代替传统表面等离子体共振(SPR)传感器中的金膜,构成折射率敏感层;采用Al2O3作为吸收层,从而在反射光谱中得到谐振缺陷峰,通过缺陷峰值的漂移实现待测样本折射率的动态监测;以乙二醇溶液为待测样本,对该折射率传感结构的Q值及灵敏度进行了分析。结果表明,其灵敏度约为3596nm·RIU-1(RIU为相对折射率单位),Q值约为1087.7,证明了结构设计的有效性,并可为高灵敏度和高Q值折射率传感器的设计提供一定的理论指导。     

基于Parity-Time对称耦合微腔的血糖传感器

为设计新型光学生物传感器,本课题组构造了基于Parity-Time (PT)对称的耦合谐振腔系统,用于实现对人体血糖浓度的测量。通过结构优化,使系统达到PT对称极点状态,然后利用极点状态下透射率对血糖折射率极其敏感的特性,将对血糖浓度的测量转化为对系统透射率的测量,从而达到血糖传感的目的。本文研究了两种传感方式：一是固定特定极点处的频率,测量系统在不同血糖浓度下的透射率;二是在极点附近的频率范围内扫描,测量特定血糖浓度下透射率的峰值。血糖质量浓度为20～182 mg/dL时,第二种方式下传感器的灵敏度均高于第一种方式;当血糖质量浓度高于182 mg/dL时,第一种方式在1466.40 THz频率下的灵敏度要比第二种方式高。可以将本文对血糖浓度的传感方式推广到对其他生物样本的测量上。     

基于共振光隧穿效应的加速度传感器

为了设计新型的加速度传感器，将共振光隧穿结构应用于传感元件，利用COMSOL软件对传感器的频率响应、灵敏度性能等关键要素进行了模拟仿真分析，搭建了实验平台，验证了共振光隧穿原理。结果表明，基于共振光隧穿效应结构的加速传感器在100Hz~3000Hz范围内、加速度为500m/s2的情况下，灵敏度可达到6.7dB/g。该传感器小巧轻便、结构简单，且具有较高的灵敏度，这为光学传感器的研究提供了新的方法和思路，具有广阔的应用前景。     

D型环光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

提出了一种中红外波段宽范围低折射率检测的D型环双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器。该结构为一个D型环,并在其内外表面都沉积一层金属层。采用全矢量有限元方法分析了该传感器的性能。结果表明,该传感器可以在中红外波段实现低折射率传感,并具有高传感灵敏度特性。分析物的折射率可检测范围为120～138,平均波长灵敏度和最大波长灵敏度可分别达到13717nm/RIU和21150nm/RIU,分辨率可达到194×10-5 RIU。该传感器可在化学、生物以及环境检测等领域有重要的应用。     

纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的温度特性

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上,综合运用光学薄膜法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉理论,采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的仿真分析程序,模拟了薄膜型光纤法布里-珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性,分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重,并进行了实验验证。验证结果表明,传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致,纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系,对传感探头的研制具有指导意义。     

基于交替光栅光纤复合结构折射率传感特性研究

基于D型多模光纤表面沉积交替光栅构成了一种 光纤结构折射率传感器。利用传输矩阵法和时域 有限差分法FDTD协同研究了传感器透射光谱特性及共振吸收峰产生的机理。在优化设计结构 基础上探究 了折射率和温度双参量传感特性。研究结果证明,光纤复合结构具有双通道和超窄线宽双重 光谱特性;基 于两种共振模式折射率和温度的差异敏感性,选择两共振峰峰位波长作为信息载体,借助矩 阵方程获得温 度补偿后的折射率传感灵敏度和品质因数分别为562.8 nm/RIU和24.14/RIU。 该传感器结构简单,体积小,易于集成,同时可消除温度交叉敏感的干扰,更具实用性。     

一种取向诱导的多共振超材料及折射率传感性能分析

提出了一种新型取向诱导的多谐振太赫兹超材料。超材料由双金属线(DCW)和非对称开口环谐振器(ASR)构成。数值仿真表明,当改变SR绕其中心旋转的角度时,导致亮模式和暗模式的耦合作用发生改变,产生不同类型的谐振现象。当SR旋转角为15°时,由于谐振结构对称性被打破,分别在0.67 THz、0.82 THz和0.83 THz出现了类EIT、四偶极子共振和Fano共振现象;当SR旋转角度为90°时,所有共振现象最终消失。此外分析了SR旋转角度为15°时的超材料传感性能,类EIT谐振峰、四偶极子共振和Fano共振灵敏度分别为127、107和108 GHz/RIU。该超材料作为折射率传感器,最大理论灵敏度达到127 GHz/RIU,表明该超材料具良好的传感特性。     

锥-单模光纤-细芯光纤-球结构的复合干涉型传感器温度特性研究

随着传感技术的发展,传感器的应用领域变得更加 广阔。许多场合需要高精度的温度传感器,干涉型光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰等 优点,受到广泛关注。因此,基于复合干涉原理,设计了一种基于锥-单模光 纤-细芯光纤-球结构的传感器。该传感 器是在由单模光纤制作的锥型结构和球型结构之间,插入相同长度的单模光纤和细芯光纤制 成的,在单模光纤与细芯光纤的熔接处,以及细芯光纤和球型结构的熔接处皆发生干涉。当 温度变化时,光纤纤芯模式和包层模式的相位差发生改变,从而使透射谱中的干涉谷发生漂 移。通过测量干涉谷的漂移量,便可得到温度变化量,实现温度传感。对 传感器温度特性进行研究,当温度从30 ℃变化到75 ℃时,透射谱中的两个干涉谷分别向长波长漂移了 1.5 nm和3.75 nm,灵敏度分别为0.033 nm/℃和0.083 nm/℃。本文提出的传感结构体积小 、制作简便、成本低且两个谷的温度灵敏度较高,可望应用在双参量或多参量测量的场合。     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

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。     

磁流体填充的光子晶体光纤Bragg光栅三参量同时传感特性研究

基于光子晶体光纤(PCF)包层空气孔灵活的结构 设计,将磁流体填充的PCF(MF-PCF)和普通PCF进行焊接, 并在其纤芯区域刻蚀Bragg光栅,提出一种能够同时测量温度、磁场和应变的PCFBG传感器。 基于模式耦 合理论以及传输矩阵法,结合PCF中基模以及高阶光波模式的不同传感特性,通过分析热光 效应、磁光效 应以及弹光效应对模型不同光波模式的影响,探究谐振波峰反射谱响应特性。实验结果表明 ,本文的PCFBG传感器, 温度灵敏度最高可达13.97pm/℃,磁场灵敏度最高达10.04pm/mT,应变灵敏度最高达1.223pm/με;且谐振反 射光谱的漂移量与温度、磁场以及应变的变化具有良好的线性关系。 通过设计相应的三参量矩阵解调算法,可实现温度、应变以及磁场的同时测量,从而有效 降低传感成本,拓宽传感思路,具有一定的应用价值。     

基于表面等离子体侧耦合谐振腔的可调类EIT温度传感系统

提出一种基于表面等离子体侧耦合谐振腔的可调类电磁诱导透明(EIT)温度传感系统。利用时域有限差分法(FDTD),探究腔内液体注入量对透射窗口中心波长的影响。结合表面等离子体(SPPs)对周围环境介电性能的敏感性，对该系统的温度传感性能进行了研究。结果表明，注入氯仿和乙醇的共振波长均与温度变化呈线性关系，并且注入氯仿对温度的灵敏度比乙醇更高，可达到0.425 nm/℃。研究成果将为高集成度光开关、传感以及慢光等器件的研制提供理论指导。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

新颖的光纤Bragg光栅压强传感器的实验研究

提出了一种基于圆柱形容器和活塞结合的光纤Bragg光栅（FBG）传感模型。将FBG粘接在基底材料上，基底材料固定在活塞和容器底部间，容器内压力的变化导致活塞移动进而带动FBG所受拉力的变化，从而实现对外界压强的检测。该传感器的压强响应灵敏度系数理论值和实验值分别为0．9200nm／MPa和0．8223nm／MPa，分别为裸FBG灵敏度系数的306和274倍。该传感器有很好的线性度，线性度为0．9998。可以改变该传感器的有关参数来调节传感器的压强灵敏度系数，实现不同压强范围的测量。     

基于Matlab平台的光纤SPR光谱特性研究

为了提高光纤表面等离子共振(SPR)传感器的灵敏度,扩大其检测范围,增加其实际使用价值,通过Matlab软件系统研究各可控参数对SPR光谱特性的影响,研究其对应传感灵敏度和动态范围,并创建了基于Matlab软件的图形化可操作界面。结果表明,随着光入射角度的增加,光纤SPR光谱的动态范围向短波长方向移动,其传感灵敏度降低,但是检测范围扩大;随着传感探针所镀金膜的厚度增加,光纤SPR光谱的动态范围向长波长方向移动,其传感灵敏度增加;随着光纤折射率的增加光纤SPR光谱的动态范围向短波长方向移动,其传感灵敏度降低,但是检测范围扩大。且采用不同的金属膜和不同折射率的光纤,光纤SPR光谱的动态范围和灵敏度也会发生变化。此外,还研究了分布式光纤SPR传感器的传感原理,并给出详细的研究数据进行论证,研究结果表明,多通道光纤SPR传感器的传感规律和单通道相同,且灵敏度并没有随着通道数量的增加而降低。     

基于光子晶体光纤表面等离子体共振的温度和磁场双参量传感器

设计了一种光子晶体光纤(PCF)结构,基于新结构PCF和表面等离子体共振(SPR)效应实现了温度与磁场双参量传感。采用全矢量有限元方法对该传感器的理论模型进行了分析,结果表明,当温度在20～50℃内时,传感器的温度灵敏度可达-493.6 pm/℃;当磁感应强度在20～300 Oe内时,传感器的磁场灵敏度可达82.69 pm/Oe。