级联FPI-MZI复合干涉光纤传感器双参数特性研究

为了实现工业生产过程中温度和溶液质量分数的同时测量和传感检测, 提出了一种由法布里-珀罗干涉仪(FPI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)级联干涉结构构成的双参数传感器。该传感器由融合在一起的单模光纤(SMF)和空芯光纤(HCF)组成。采用同时测量FPI反射光谱和MZI透射光谱的特征波长位移的方法, 获得了FPI和MZI对温度和折射率的灵敏度差, 建立了传感器温度-质量分数灵敏度矩阵, 实现了传感器双参数的测量。结果表明, 在40℃~150℃的温度范围内, FPI的温度敏感度为10pm/℃, 而MZI的对温度不敏感; 在质量分数0.05~0.40的范围内, FPI对折射率不敏感, 而MZI质量分数灵敏度是232.3nm/RIU; 该传感器可以实现温度与溶液质量分数的同时测量。该研究为石油、化工、电力、钢铁、机械等加工行业中双参数的动态测量提供了参考。     

基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变 双参数同时测量的光纤传感器,其结构是在单模光纤(SMF)上分别熔接两 个球形结构并在SMF光纤中间熔接一段细芯光纤(TCSMF)。利用光纤的纤芯 模、包层模对温度、应变的灵 敏度差异,通过检测不同级次的干涉谷的特征波长位移变化,结合敏感矩阵实现了对温度、 应变双参数的 同时测量。实验选取位于波长1545.1nm554.8nm处的干涉谷进行温度和应变的同时测量,测 得两个波谷 的温度灵敏度分别为53.86 pm/℃和47.51pm/ ℃,两个波谷的应变灵敏度分 别为0.75 pm/με和1.39pm/με,并且不 同级次干涉波谷的波长位移量与外界温度和应变具有良好的线性度。     

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。     

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M-Z滤波和LPFG的液体折射率传感特性研究

利用飞秒激光逐线刻写方式在HI1060光纤中制作谐振波长为1548.5 nm,谐振强度为7 dB,栅区长度为3.2 mm的长周期光纤光栅。通过纤芯错位熔接方法在HI1060光纤中制作马赫曾德-干涉仪(MZI),对LPFG的透射光谱进行滤波优化。设计使用不同折射率的酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液分别对基于MZI滤波的LPFG的折射率特性进行了测试和研究。实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液中的折射率灵敏度分别为301.78 nm/RIU、138.80 nm/RIU和132.67 nm/RIU。     

基于马赫-曾德尔干涉仪的保偏光纤温度传感器研究

根据马赫-曾德尔干涉仪(MZI)原理在两根标准 单模光纤(SMF)中间熔接一段保偏光纤(PMF),通过电弧 放电和熔接推挤形成凹-凸型锥,构成温度光纤传感器。利用PMF的包层模、纤芯模对温度 的灵敏度差异,通 过检测透射光谱中不同干涉谷的波长和强度变化,实现对温度的测量。实验表明,在25~70℃的范围内, 当PMF的长为30mm时,在1533.68nm和1560.92nm时的干涉谷对应的波长灵敏度为0.029 nm/℃和0.040nm/℃,对应的强度灵敏度为0.12dB/℃和0.097dB/℃;当PMF的长度为 40mm时,在1540.54nm和1568.64nm时的干涉谷对 应的波长灵敏度为0.083 nm/℃和0.099nm/℃,强度 灵敏度为0.152 dB/℃和－0.211dB/℃。根据 光谱仪0.01nm和0.01dB的分辨率,对应的波 长和强度分辨率分别为0.100 ℃和0.047℃。     

一种基于FSI和MZI并联组合的光纤温度传感器北大核心CSCD

基于并联的干涉型滤波器的游标效应,设计了一种基于光纤萨格纳克干涉仪(fiber Sagnac interferometer,FSI)和马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)并联组成的光纤温度传感器。FSI由一个3 dB的四端口耦合器和一段6.6 m的保偏光纤(polarization maintaining optical fiber,PMF)组成,因其具有较高的灵敏度以及较好的稳定性,将其作为传感腔。MZI作为参考腔由两个3 dB的三端口耦合器自制组成,通过控制MZI两臂的长度,使这两个干涉仪的自由光谱范围(free spectral range,FSR)相接近但不相等,利用游标效应来提高该结构的温度灵敏度,然后通过改变温度来测量单个FSI与并联FSI、MZI这两种结构的波长漂移情况,从而探究温度灵敏度的放大情况。实验结果表明,单个FSI的温度灵敏度仅为-1.65 nm/℃,并联系统可以将其放大到12.9 nm/℃,增益系数为7.82,与理论结果相符,表明在相同温度下,并联结构能够明显提高温度传感器的灵敏度。该传感器能在较小的温度变化时呈现明显的波长漂移,适用于生物和工业领域的温度精细检测。     

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.     

LPFG与无芯光纤级联的折射率与温度同时测量传感器

为了满足工业生产与科学研究对折射率与温度同 时测量的需求,一款新型光纤传感器被设计了。传 感器是利用无芯光纤(no-core fiber,NCF)与长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG)级联构成,其中NCF对折射率比 较敏感,LPFG 对温度较敏感。实验选择传感器透射谱谐振峰波谷Dip 3(由NCF激发)和Dip 4(由LPFG 激发)来进行环境 温度与折射率测量。实验发现Dip 3和Dip 4的中心波长随温度变化有很好的线性关系,温度灵敏度分别 为9.46 pm/℃和19.88 pm/℃。当环境折射率 在1.33范围变化时,Dip 3的中心波长 与折射率之间存 在极好的线性关系,折射率灵敏度为102.80 nm/RIU,而Dip 4的中心 波长对折射率变化不敏感。利用Dip 3与Dip 4的温度和折射率灵敏度构建灵敏度测量矩阵,实现了折射率和温度的同时测量,消 除了交叉敏感。 设计的传感器结构简单、折射率灵敏度高、成本低、结构重复性好,能够满足工程实际的 需求。     

Compact In-Fiber Interferometer Formed by Long-Period Gratings in Photonic Crystal Fiber

We reported the design and implementation of an in-fiber Mach–Zehnder interferometer (MZI) based on a pair of long-period gratings (LPGs) written on a photonic crystal fiber (PCF). The LPG was fabricated by using a pulsed CO$_{2}$ laser to carve grooves periodically along the PCF. The MZI relies on the interference between the fundamental core mode and a cladding mode of the PCF. The MZI was further demonstrated as a temperature sensor and a strain sensor. The temperature and strain sensitivities were measured to be 42.4 pm/$^{circ}hbox{C}cdot hbox{m}$ and $-$ 2.6 pm/$mu varepsilon $, respectively. We also fabricated an MZI on a single-mode fiber, which has a temperature sensitivity of 1215.56 pm/( $^{circ}hbox{C}cdot hbox{m}$) and a strain sensitivity of $+$ 0.445 pm/$mu varepsilon $.      

Fabry-Perot Temperature Sensor for Quasi-Distributed Measurement Utilizing OTDR

A quasi-distributed Fabry-Perot fiber optic temperature sensor array using optical time domain reflectometry （OTDR） technique is presented. The F-P sensor is made by two face to face single-mode optical fibers and their surfaces have been polished. Due to the low reflectivity of the fiber surfaces, the sensor is described as low Fresnel Fabry-Perot interferometer （FPI）. The working principle is analyzed using twobeam optical interference approximation. To measure the temperature, a certain temperature sensitive material is filled in the cavity. The slight changes of the reflective intensity which is induced by the refractive index of the material was caught by OTDR. The length of the cavity is obtained by monitoring the interference spectrum which is used for the setting of the sensor static characteristics within the quasi-linear range. Based on our design, a three point sensor array are fabricated and characterized. The experimental results show that with the temperature increasing from -30℃ to 80℃, the reflectivity increase in a good linear manner. The sensitivity was approximate 0.074 dB℃. For the low transmission loss, more sensors can be integrated.     

在光纤拼接处刻写长周期光纤光栅及其传感应用

在"单模光纤-细芯光纤"拼接处刻写了 Type Ⅱ 型长周期光纤光栅,构成一种高温光纤传感器.该传感器实际由2 段不同的长周期光纤光栅级联构成,在第二个光栅形成了 Mach-Zehnder 干涉,因此,传感器透射谱由长周期光纤光栅与Mach-Zehnder 干涉仪共同作用形成.利用传感器的透射谱与环境温度的线性变化关系...     

Single mode fiber dislocation Mach-Zehnder interfero- meter cascaded with fiber Bragg grating for monitoring metal electrochemical corrosion

An optical fiber sensor composed of a dislocation Mach-Zehnder interferometer(MZI) cascaded with a fiber Bragg grating(FBG) is proposed, and it is used to monitor the electrochemical corrosion of metals in experiments. The dislocation interferometer is composed of two segments of single-mode fiber(SMF) and one segment of dislocation SMF. The contact surface is increased between the fiber and the environment, which helps to improve the interference sensitivity. The relationship between the disloc...     

Miniaturized Fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer for Highly Sensitive Refractive Index Measurement

This paper presents a novel miniaturized fiber-optic Fabry-Peort interferometer （FPI） for highly sensitive refractive index measurement. This device was tested for the refractive indices of various liquids including acetone and ethanol at room temperature. The sensitivity for measurement of refractive index change of ethanol is 1138 nm/RIU at the wavelength of 1550 nm. In addition, the sensor fabrication is simple including only cleaving, splicing, and etching. The signal is stable with high visibility. Therefore, it provides a valuable tool in biological and chemical applications.     

基于光子晶体光纤M-Z干涉仪的折射率传感器研究

研制了一种通过手工熔接方法在两段单模光纤（SMF）间焊接一段实芯光子晶体光纤（PCF）而形成的Mach-Zehnder干涉仪（MZI）传感器,研究了传感器传输光谱与外界折射率的关系。实验结果表明,这种MZI传感器的中心波长随着外界折射率的增加向长波方向漂移,在1.340-1.384的折射率变化范围内,干涉长为3.2cm...     

Single-Mode Fiber Refractive Index Sensor Based on Core-Offset Attenuators

Mach-Zehnder and Michelson interferometers using core-offset attenuators were demonstrated. As the relative offset direction of the two attenuators in the Mach-Zehnder interferometer can significantly affect the extinction ratio of the interference pattern, single core-offset attenuator-based sensors appear more robust and repeatable. A novel fiber Michelson interferometer refractive index (RI) sensor was subsequently realized by a single core-offset attenuator and a layer of ~ 500-nm gold coating. The device had a minimum insertion loss of 0.01 dB and maximum extinction ratio over 9 dB. The sensitivity (0.333 nm) of the new sensor to its surrounding RI change (0.01) was found to be comparable to that (0.252 nm) of an identical long period gratings pair Mach-Zehnder interferometric sensor, and its ease of fabrication makes it a low-cost alternative to existing sensing applications.     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。