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。     

基于多模细锥级联的MZI液体折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,结合光纤熔锥技术,设计并制作了一种结构为细锥-多模-细锥的液体折射率传感器。光经第一个多模细锥节点时,将在后面的多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;再经中间多模光纤部分传输时,不同模式光之间将产生光程差;最后在第二个多模细锥节点处耦合而干涉。对该传感器输出干涉光谱中干涉谷波长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。实验结果表明,溶液折射率变化范围为1.379~1.402时,干涉谱中1 566.68 nm附近的干涉谷波长与溶液折射率有单调递增的变化关系,对应的灵敏度为783 nm/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,在生物医学领域有较好的应用前景。     

腰椎放大细芯光纤传感器实现折射率/温度同时测量的研究

根据马赫-曾德尔干涉(MZI)原理,在两段标准单模光纤(SMF)中间腰椎放大熔接长为2cm 的细芯SMF (TCSMF),构成光纤传感器。利用TCSMF的包层模、纤芯模对折射率和温度的灵敏度差异, 通过检测透 射光谱中不同级次的干涉谷的特征波长变化,结合敏感矩阵实现对折射率/温度的双参数同 时测量。实验选取 在1502.54nm波长处干涉谷的折射率和温度的 灵敏度分别为270.5171nm/RIU(其中RIU为折射率单位)和19.3 pm/℃;在1521.64nm波长处干涉谷的折射率灵 敏度为239.510nm/RIU,对温度不敏感。根据 0.01nm波长分 辨率的光谱仪(OSA),本文光纤传感器对折射率和温度的分辨率分别为3.6966×10－5 RIU 和0.518℃,也可以应用于其他参数的 测量,具有良好的应用和发展前景。     

基于表面温敏薄膜的锥形双包层光纤温度传感器

提出了一种基于温敏薄膜的锥形双包层光纤(TDCF)温度传感器,其由两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段TDCF组成,呈SMF-TDCF-SMF结构。由于输入端SMF纤芯模的模场与TDCF纤芯模的模场极度不匹配,因此由SMF传输过来的光除一部分耦合进TDCF的纤芯中外,其余部分耦合进TDCF的包层中以包层模的形式向前传输。当这两束光到达输出端SMF时发生干涉,形成马赫-曾德尔干涉仪。在锥区涂覆一层温度敏感薄膜,使得TDCF纤芯模和包层模之间的光程差会随着外界温度的变化而改变,从而引起传感器干涉谱的变化,因此可以通过检测传感光谱的变化实现对温度的测量。实验研究了传感器的温度特性,结果表明:随着拉锥长度的增加,干涉光谱的自由光谱范围逐渐减小。当拉锥长度为16mm,温度在32~65.3℃范围内时,随着温度的增加,传感器的传输光谱出现蓝移现象,温度灵敏度最高可达-1296.78pm/℃,且具有很好的线性度。该传感器制作简单、灵敏度高,在科学研究和工农业生产的温度测量场合具有较好的应用前景。     

基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的应变传感器

研究了基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的光纤应变传感器,通过将一根细芯光纤熔接在两根单模光纤(SMF)之间,构成了一种光纤内干涉的马赫曾德尔干涉仪。当单模光纤中的光耦合进细芯光纤时,一部分光耦合进细芯光纤纤芯作为芯模传输,另一部分光耦合进细芯光纤包层中激发出包层模沿包层传输,当芯模和包层模再耦合进单模光纤时发生干涉。当应变作用在细芯光纤上时,干涉条纹发生漂移。通过解调干涉条纹对应变的漂移量实现应变测量,在0~2000 με的测量范围下,测得的应变灵敏度为-1.83 pm/με,并且实验结果与理论分析有很好的一致性。该传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高等优点。     

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。     

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。     

高灵敏度多模干涉-异质无芯光纤折射率传感器

基于多模干涉理论和自映像效应,设计了一种高灵敏度多模干涉-异质无芯(SNS)光纤折射率传感器。利用纤芯失配在包层激发的高阶模与无芯光纤中产生的基模耦合产生多模干涉来实现其对折射率的传感测量。应用波束传播法(BPM)数值模拟了传感器在不同折射率条件下光的透射谱,讨论了无芯光纤的长度及外部环境折射率等参数对传感器性能的影响。通过无芯光纤SNS结构传感器的样品制备,测试了多组不同浓度蔗糖溶液下的透射谱,实验结果与数值模拟结果一致。结果表明:在折射率1.330~1.419范围内,透射谷的波长灵敏度达到189nm/RIU,透射率灵敏度达到-40%/RIU。     

基于CO2激光熔融塌陷的PCF Mach-Zehnder干涉仪折射率传感特性

基于CO2激光熔融技术与模间干涉原理,提出一种CO2激光熔融塌陷型光子晶体光纤(PCF)Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。在一段较短的PCF上,通过采用CO2激光熔融烧蚀改变PCF包层空气孔结构,由包层模和纤芯模的干涉构成MZI。整个PCF传感器塌陷区长为419.01μm,塌陷区最细处直径为58.69μm,干涉条纹对比度可达10.6dB,并研究了其温度传感特性以及折射率传感特性。将制备完成的传感器分别置于温度控制箱和不同折射率的甘油水溶液中,两端分别连接至ASE宽带光源(1 520~1 610nm)和光谱仪(OSA)上,光源输出功率为16dBm,测量其传输光谱。实验结果表明,在30~70℃温度范围内,测得其温度灵敏度仅为0.005 1nm/℃;1.352 5~1.413 4折射率范围内,测得其折射率灵敏度为33.388 4nm/RIU。     

一种多模-细芯-多模结构的干涉型光纤传感器

设计并制作了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach -Zehnder interferometer,MZI)原理的温度与压力同 时测量的光纤传感器,该传感器采用多模-细芯-多模(Multimode fiber -Thin core fib er- Multimode fiber,MTM)结构,其原理是,当多模光纤(Multimode fiber,MMF)中的光到达第 1个熔接点时 一部分进入细芯光纤(Thin core fiber,TCF)的纤芯,激发起纤芯模;另一部分进入TCF的 包层,激发起 包层模。当这两部分光到达第2个熔接点处时,TCF纤芯中的光进入MMF的纤芯,TCF包层中 的光一部分进入 到MMF的包层,另一部分进入MMF的纤芯,与纤芯模式发生干涉。外界环境如温度、压力等发 生改变时干涉 谱将随之漂移,因此可以通过观察光谱中干涉谷的漂移来测量外界温度、压力的变化。当温 度变化范围为 30℃时,实验测得Dip1、Dip2的温度 灵敏度分别为0.042nm/℃、0.051nm/℃。当 压力变化范围为 0N－9.8N时,实验测得Dip1、Dip2的压力灵敏度分别为－0.240nm/N、－0.524nm/N。由于 Dip1和Dip2对温度 和压力的灵敏度分别不同,因此可以利用矩阵实现对温度和压力的同时测量。该传感器制造 简单精巧,成本较低,具有一定的研究以及应用价值。