基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备,采用飞秒激光直写技术,在光纤末端刻蚀出矩形凹槽,辅以光纤熔接方法,制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响,温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系,探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用,灵敏度为0.171nm/(mgmL-1)。结果表明,基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点,在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。     

基于光纤干涉法的液体表面张力系数测量及温度影响研究

为了提高液体表面张力系数的测量精度,并充分 发挥光纤干涉法的高精度、 非接触等优点,提出了一种利用干涉原理的空心光纤(HOF)液体表面张力系数测量 方法。即利用HOF一端与单模光纤(SMF)相连,另一端与待测液面接触形成Fabry-Perot(F- P)腔 实现液体表面张力系数的测量。毛细效应使得被测液体进入HOF内,不同 的表面张力导致HOF形成的F-P腔腔长发生变化,通过检测F-P腔两个相邻干 涉峰的间距就可以间接得出液体的表面张力系数大小。实验中,分别测定了相同 温度下5种不同液体的表面张力系数和不同温度下蒸馏水的表面张力系数,对测 量的结果进行最小二乘法线性拟合。实验中,温度的改变采用水浴加热法,不同温 度下蒸馏水表面张力系数的测量结果与理论值的最大误差为0.26%。 本文方法结构 简单,容易操作,有较高的灵敏度,可为实际液体表面张力系数测量提供参考。     

基于大偏置熔接的全光纤法布里珀罗湿度传感器

利用大偏置熔接方法在两段单模光纤(SMF)中间熔接一小段单模光纤作为支撑梁制作了一种开腔式法布里珀罗（F-P）干涉传感器。提出在干涉腔内填充一种湿度敏感型物质聚丙烯酰胺（PAM）从而形成一种高灵敏度的微型湿度计。当PAM通过吸收空气中的水蒸气而引起自身折射率发生改变,从而导致F-P干涉谱发生漂移,通过检测干涉谱的漂移量可以实现对环境相对湿度的测量。实验结果表明,这种湿度传感器在38%~78%的相对湿度范围内,在PAM折射率变化范围内其干涉谱漂移了约4 nm,漂移量与相对湿度的灵敏度约为0.1 nm/%;而在88%~98%的相对湿度范围内可实现高灵敏度的湿度测量,其干涉谱漂移了约59 nm,漂移量与相对湿度的灵敏度为5.868 nm/%。     

新型高频CO_2脉冲激光写制光纤微腔传感器

运用高频二氧化碳脉冲激光器完成光纤微腔的写制工作,在光纤的两个不同的位置写入两个微腔,使包层的模式被激发然后再耦合回纤芯模式而发生干涉。利用在干涉中的光程差受介质有效折射率的影响这一原理,制成了液体折射率的传感器。     

光纤法布里-珀罗传感器偏振互相关解调系统的复消色差光路设计

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器被广泛应用于航空发动机的检测中。偏振互相关解调法是最常用的F-P腔长解调方法。在偏振互相关解调系统中,光学系统的轴向色差会引起零级干涉条纹的偏移和光强的减小,从而降低解调精度并减小信号幅值,因此分析了光学系统的轴向色差对解调的影响。为了减小光学系统的轴向色差对解调的影响,设计了一种应用于偏振互相关解调仪的复消色差光学系统。该光学系统在光楔长度方向上的轴向色差为1.9×10~(-4) m~(-1),最大光程差为0.021λ_0(λ_0为中心波长),光程差远小于F-P腔长。对于特定的解调系统,采用复消色差光路时,零级干涉条纹的测量值偏移量为2.85μm,小于CCD像素宽度的一半,并且CCD任意像素的光照度提高了3.75倍。     

用于义齿压力分布式测量的光纤MEMS压力传感器

根据Fabry-Prot(F-P)腔的干涉原理,采用微机电系统(MEMS)工艺,研制出一种用于义齿压力检测的F-P腔光纤微型压力传感器。传感器膜片厚为6μm,膜片边长为100μm。在与义齿基托相同材料的树脂底基上,挖边长为1.2mm、深度为0.8mm平整的方形小坑,将传感器分布式埋植入底基,并用自制的施加压力的装置对传感器加压测试。用双波长方法解调干涉信号,用阵列波导光栅(AWG)复用传感器,从而实现对口腔义齿下方组织压力的分布式测量。测量结果表明,当义齿加载0～0.6MPa压力时,系统的相对反射率比值/压力可达0.020 1/MPa,测量结果具有良好的线性度,测量系统的复用能力强,且复用传感器之间没有串扰,适用于义齿对口腔下方组织压力的分布式测量。     

基于多模态双偏置光纤的折射率传感机理研究

提出了一种基于双偏置结构光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)的超高灵敏度折射率传感器,理论分析了偏置型MZI的干涉机理。通过光束传播法(beam propagation method, BPM)模拟分析了多模态偏置光纤的折射率传感特性、以及在不同偏置长度和折射率范围内折射率灵敏度的变化,对比了单偏置与双偏置的传感特性。仿真结果表明,在折射率为1.333 0—1.334 0的范围内,单偏置MZI的折射率灵敏度为-5 557 nm/RIU,而双偏置MZI的折射率灵敏度为-14 071 nm/RIU,该结果为实现高灵敏度液体折射率测量提供了重要理论依据。该传感器结构紧凑,整体长度只有1 200μm,在液体折射率测量领域具有重要的应用价值。     

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HCPCF的F-P应变传感器的波分频分复用

提出一种基于空芯光子晶体光纤(HCPCF,hollow core photonic crystalfiber)的Fabry-Perot(HCPCF F-P)干涉应变传感器进行大容量的波分频分复用实验。HCPCFF-P应变传感器的干涉腔长度可达cm数量级,并且温度对应变的交叉影响小。优化制作了HCPCFF-P应变传感器,重点研究了6个不同长度干涉腔应变传感器的波分频分复用实验。实验结果表明,复用系统的应变测量精度可达±20με。     

同时测量温度和折射率的光纤传感器

提出了一种基于马赫-曾德干涉仪(MZI)的温 度与折射率同步测量的光纤传感器。本文传感器结构由两个球形结构级联一个锥结构组成, 球形结构激发高阶包层模,锥结构扩大了倏逝场穿透深度范围。其原理是当纤芯中传输的光 通 过第1个球形结构时,一部分光进入包层中传输形成包层模,另一部分光继续在纤芯中传输 形成纤芯模,由于纤芯与包 层具有不同的折射率,因而纤芯模和包层模之间产生光程差,当两部分光到达另一端的球形 结构时,在包层中传输的光 耦合进入纤芯,从而与纤芯中传输的光在另一球出射处发生干涉,当外界环境(如温度、折 射率等)发生改变,影响光程 差,则干涉谱也将随之改变。实验结果表明,本文传感器结构的透射谱中,干涉峰对温度和 折射率具有不同的响应灵敏度,因此可 以利用矩阵法实现对温度和折射率的同步测量。在10～100℃和1.343～1.402RIU(refractive index unity)的测量范围 内,强度解调可以达到约0.22℃和1×10－4RIU温度和折射率分辨率。同时发现,波长解调可以达到0.37 ℃温度分辨率。本文传感器结构简单紧凑、成本低,可适用于多领域实现温度和折射率的双 参量同步测量。     

空芯光纤多模干涉型光纤液位传感技术研究

为了测量液位高度变化,采用基于空芯光纤多模干涉效应的方法,研究了在外界介质影响下光源在空芯光纤中多模干涉所产生的干涉谱的变化,进行了基于空芯光纤中多模干涉效应的液位传感实验,研究了该液位传感器的干涉谱与液位变化的关系以及不同折射率液体对测量结果的影响,并分析了实验误差。结果表明,该光纤液位传感器的液位测量范围为0mm~55mm、液体折射率为1.33和1.35时,液位测量灵敏度分别为0.180nm/mm和0.224nm/mm。使用单模-空芯-单模结构的传感器进行液位变化测量是较为精准与可行的。     

基于空心光纤多模干涉的折射率传感器研究

基于空心光纤(HF)多模干涉原理提出一种新颖光纤折射率传感器,实现了对环境溶液折射率的测量。这种光纤折射率传感器不仅制作简单、成本低廉,而且为波长编码、抗干扰性好。实验表明,这种光纤折射率传感器其有效传感范围为1.333～1.450,并且当溶液折射率小于1.40时,特征波长与折射率近似呈线性关系,灵敏度为88.07 nm。针对相同折射率不同溶质的溶液,传感器出射光谱能量差异表明,该结构的光纤传感器在物质检测方面有着潜在的应用。     

飞秒激光制备光纤U形微结构应用于折射率传感

为了实现低成本、高精度的折射率测量,采用飞秒激光微加工技术,制备出基于U形微结构的多模光纤液体折射率传感器。研究了传感器的通光功率变化值与U形槽深度以及U形槽内液体折射率的关系,同时探究了在相同光损耗情况下不同烧蚀长度对灵敏度的影响,并使用射线理论和模式理论对传感机理进行了分析。结果表明,该传感器在折射率1.3331~1.3731范围内具有良好的线性响应,且可以做到5700μW/RIU的灵敏度;同时在10dB损耗情况下20μm烧蚀长度具有较好的灵敏度。该传感器具有结构简单、容易制备、灵敏度高和低成本等优点,在化学、生物、医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。     

基于光纤Bragg光栅的生物膜厚度及温度传感器

提出一种基于单端腐蚀结构的光纤Bragg光栅(FBG),用于膜反应器内生物膜厚度和温度的同时测量.给出单端腐蚀FBG对外部介质折射率(SRI)与温度同时测量的理论模型,制作腐蚀区直径约为7.1～7.4μm的单端腐蚀FBG传感器.实验结果表明,传感器在SRI为1.333～1.355内具有较好的线性度,折射率灵敏度为6.8...     

基于侧面抛磨锗芯光纤的折射率传感器

通过抛磨单模-多模-单模(Single mode-Multimode-Single mode,SMS)光纤结构,设计制作一种光纤折射率传感器。多模光纤选用的是纤芯直径为16μm的锗芯光纤,纤芯直径较小,使制作的传感器尺寸较小,从而在传感应用中具有较高的样品利用率。单模光纤纤芯直径为8.4μm,可确保抛磨至多模光纤纤芯附近时单模光纤的纤芯不被破坏。SMS被AB胶固定在玻璃槽内,使得侧面抛磨光纤具有很好的鲁棒性,可重复使用性。制备并侧面抛磨了锗芯光纤长度分别为0μm、23μm、70μm、690μm、2 mm的SMS光纤结构。对产生的传输光谱进行测量,发现前4个样品随着周围环境折射率的增加,谐振波长向长波长处偏移;而前3个样品的折射率测量灵敏度随着锗芯光纤长度的增加而提高。当锗芯光纤长度为70μm时,在1.333~1.367折射率区间内,灵敏度可以达到623.5 nm/RIU。然而,过长的锗芯光纤导致折射率测量灵敏度降低。当锗芯光纤长度为2 mm时,抛磨过程中激发产生了包层模,导致传输光谱复杂、不稳定,而且长波处产生了较大的插入损耗。     

用于油井相含率测量的光纤探针传感器研究

针对地面成熟三相流相含率测量传感器无法适应井下高温高压腐蚀的复杂环境,现有井下测量设备复杂,需要多种传感器和探头联合才能实现三相流相含率测量的问题,设计了一种光纤探针传感器。以蓝宝石作为光纤探针的前端敏感材料,利用气相和液相对光的折射率不同,通过检测探针反射光的光强来分辨光纤探针处于气相还是液相。通过检测经探针耦合进光纤的荧光光强分辨水相还是油相,从而实现单一探针传感器对油井内油相、水相、气相三相相含率的测量。     

光纤表面等离子体波共振温度传感器的研究

根据液体折射率随温度变化而改变的特性，提出了一种基于表面等离子体波共振(SPR)效应的新型光纤温度传感器，分析了表面等离子体波共振光纤探头感应环境温度变化的原理。对表面等离子体波共振探头结构进行了优化设计，并进行了相关实验，为实现高折射率液体介质的感温测试和扩大测温范围提供依据。通过自行设计的一套光纤温度传感测试系统，得到系统输出的表面等离子体波共振光谱信号随温度变化的特性曲线，并提出对共振波长和最小光强反射率进行实时双参数测量的方法。实验结果表明，该测试系统具有结构简单、全光纤化、易远程测量等优点。     

两种透明介质微小折射率差高精度测量的新方法

对现有折射率的测量技术进行分析,提出了一种测量两种透明介质间微小折射率差的新方法。首先,介绍了微小折射率差干涉测量方法的原理,并对该测量原理利用Zemax光学仿真软件进行了理论模拟论证。该实验中首先,采用热键合技术制备包含两种被测量材料的组合平板;其次,利用干涉测量仪及外光路测量样件界面区域不同入射角下的光程差;再者,利用几何光学中的折射定律,推导折射率分布与干涉光程差的关系式。最后,通过二次曲线拟合获得正入射时的光程差微小变化值、换算得到样件两种材料的折射率差值。实验测量了1 at.% Yb3+::YAG晶体与YAG晶体的热键合样品的折射率差,测量值为5.4110-5,测量系统精度10-7量级。结果表明:该测量方法原理简单、操作简便,测量精度高。     

基于长周期光纤光栅液位传感器的实验研究

利用长周期光纤光栅(LPFG)的基模和包层模间的耦合特性,设计制作了一种基于LPFG的液位传感器。LPFG包层模对环境折射率的响应不同,随着液位的变化,其透射功率发生变化。用该传感器对蒸馏水和乙醇的液位变化进行测量,当液位在0.0～17.5mm范围内变化时,LPFG透射功率分别变化了6.8719dB和13.4360dB,其灵敏度为0.389 6dB/mm和0.7678dB/mm。结果表明,液体的折射率越大,传感器的灵敏度越高,并且具有良好的线性关系。     

基于氧化锡铟纳米薄膜的圆形晶格光子晶体光纤折射率传感器

为了实现近红外波段的高灵敏度传感,设计并研究了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(Surface Plasmon Resonance Photonic Crystal Fiber,SPR-PCF)折射率传感器.该光纤横截面的空气孔排列方式是圆形晶格,呈现出向 日葵形状.光纤包层的外壁淀积了氧化锡铟(Indium T...