阶跃折射率多模光纤包层等离子体共振传感器

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器通常以纤芯为共振基底,需要采用腐蚀、侧抛、研磨等复杂的加工工艺将光纤包层去除,存在倏逝波不易泄露,传感探针制作困难的问题。本文提出一种以光纤包层为SPR共振基底的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器。采用单模光纤与阶跃折射率多模光纤偏芯熔接结构,将单模光纤纤芯中的光直接注入多模光纤包层,并在阶跃折射率多模光纤包层外镀50nm金膜。在探针传感段,光场能量全部分布在阶跃折射率多模光纤包层中,发生SPR效应充分。与传统光纤包层SPR传感结构相比,该传感器能够获得更深的共振谷,折射率测量范围为1.333～1.385RIU时,传感器的平均灵敏度可达2 307nm/RIU,本文亦对传感段多模光纤纤芯直径与长度不同参数的影响进行了探究。本文提出的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器制作简单,有效解决了光纤包层与空气界面不易获得倏逝波的问题。     

侧边抛膜光纤传输特性的研究

本文通过实验的方法了解侧边抛磨光纤的传输性能,深度研究了不同抛磨深度、不同抛膜长度的侧边抛磨光纤,测量了不同抛磨深度光纤存在着波长相关损耗.本文利用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,具有插入损耗较低、成本低廉、可人为控制对倏逝场区域的利用、易于系统集成等特点.     

基于错位偏移无芯光纤的高灵敏度湿度传感器北大核心CSCD

提出一种通过错位偏移拼接的高灵敏度光纤湿度传感器,使用无芯光纤进行错位结构熔接,形成马赫-曾德尔干涉结构。在结构的错位端面采用具有良好吸水性的聚乙烯醇(PVA)作为涂覆层材料,对传感器进行了理论与试验的研究。实验结果表明:所提出的传感器具有良好的折射率特性和湿度特性,灵敏度可达-77.4284 nm/RIU,此外涂覆PVA的传感器在测量湿度的同时提高光纤传感器的机械强度,使错位光纤传感器在工程应用中得以应用。     

基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率

利用单模光纤(SMF)中的包层模与纤芯导模之间的干涉,提出了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构与布拉格光栅(FBG)级联可同时测量温度和折射率的传感器.基于MSM结构的干涉谱和FBG的透射峰对温度和折射率具有不同响应灵敏度的特点,利用敏感矩阵实现了对温度和折射率的同时测量.实验测得MSM结构和FBG的温度灵敏度分别为0.055 2 nm/℃和0.015 8 nm/℃,MSM结构的折射率灵敏度为109.702 nm/RIU,而FBG对折射率变化不敏感.温度和折射率的测量精度分别为士0.32℃和士0.002 3.实验显示提出的MSM结构的温度灵敏度比单模-多模-单模(SMS)结构传感器提高了5倍,同时由于SMF中的包层模对外界环境的变化较敏感,该MSM结构也可应用于其他传感领域.     

基于化学腐蚀法制备的光纤微结构传感器

利用化学腐蚀法对单模光纤(HI-1060)进行端面微加工处理,制作了一种光纤干涉型传感器。将单模光纤一端放置于40%浓度氢氟酸溶液中腐蚀20 min,腐蚀凹槽深度为45μm,制得的传感器条纹对比度为6 d B,波长间隔14 nm。分别设计不同温度及不同折射率的酒精溶液对传感器的温度特性以及折射率特性进行分析研究。实验发现随着温度的增加传感器的谐振波长发生红移,温度灵敏度和线性度为15.3 pm/℃和0.996;随着酒精溶液折射率由1.341 7增加到1.348 3,传感器的谐振波长发生蓝移,折射率灵敏度和线性度为-1 185.7 nm/RIU和0.951。实验结果表明基于化学腐蚀法制作的光纤干涉型传感器对温度以及液体折射率变化均有较高的灵敏度,可用于温度和液体折射率传感测试。     

塑料光纤折射率计连续测量研究

本文对基于宏弯曲塑料光纤的折射率计的连续测量特性进行了研究.宏弯曲结构的曲率半径与光纤半径的比值决定了该折射率计的工作特性.由于聚合物材料具有一定的吸水性,导致该折射率计在连续工作时其结构参数发生改变.实验表明,浸没时间超过40 h,折射率计产生了7.3×10-5 RIU的测量偏差.这项研究指出,基于塑料光纤的液体传感器,在连续工作时必须对其吸水性问题加以考虑.     

纤芯失配的光纤Mach-Zehnder折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器;多模光纤在后面的单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,经中间单模光纤传输到错位熔接点处时,不同模式光之间将产生光程差,经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率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。结果表明：溶液折射率变化为1.358 9~1.392 2时,干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系,可用于折射率的测量;折射率变化为1.372 0~1.392 2时,传感器响应曲线具有很好的线性度,线性拟合系数为0.998,对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。     

侧边抛膜光纤传输特性的研究（英文）

本文通过实验的方法了解侧边抛磨光纤的传输性能,深度研究了不同抛磨深度、不同抛膜长度的侧边抛磨光纤,测量了不同抛磨深度光纤存在着波长相关损耗。本文利用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,具有插入损耗较低、成本低廉、可人为控制对倏逝场区域的利用、易于系统集成等特点。     

FBG级联MZI的温度和酒精溶液浓度传感特性研究

为了测量白酒蒸馏过程中的温度和酒精溶度,制作了一种基于马赫曾德仪(MZI)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的可同时测量温度和酒精溶液浓度的光纤传感器。FBG是利用飞秒激光逐线刻写的方式在单模光纤(SMF)中制作的周期为2.2μm,布拉格波长为1 591.21 nm,透射谱深度可达23 d B的4阶光纤布拉格光栅;MZI是将细芯光纤和SMF采用纤芯错位和锥腰扩大熔接技术制作的腔长为8.7 mm,对比度为28.5 d B的透射式光纤干涉传感器。基于多光束干涉理论对传感器的温度和酒精溶液浓度传感特性进行分析,利用MZI干涉波谷与FBG透射峰的灵敏度差异,结合灵敏度系数矩阵实现对温度和酒精溶液浓度的同时测量。实验中,传感器的酒精溶液浓度和温度灵敏度分别可达-41.37 pm/%和58.96 pm/℃。该传感结构在白酒酿造产业有潜在的应用前景。     

开环光子晶体光纤化学传感器的设计

为了提高低折射率化学物质监测的灵敏度,采用光子晶体光纤设计了一种在开环内镀有金薄膜的表面等离子体共振传感器。利用仿真软件COMSOL Multiphysics 5.6系统地研究了开环半径、内部气孔大小、金属膜层厚度对该传感器灵敏度的影响。最终在2800～4700 nm的工作波段内设计出折射率检测范围为1.26～1.31的低折射率传感器。该传感器平均灵敏度高达22 500 nm/RIU,最高灵敏度达33 000 nm/RIU。在七氟醚、卤代醚、含氟有机物等低折射率物质检测方向具有较好的应用前景。     

锥形光纤的调制特性研究

将通信光纤的末端拉制成锥形能实现光纤之间的耦合,在锥形光纤耦合系统中,载波(被信号所调制的光波-光脉冲)在经过锥形光纤耦合后(连接与分束)其脉冲变化特性对锥形光纤通讯系统是十分重要的。在实验上检测了锥形光纤中光脉冲的调制特性,并从理论上引入脉冲归一化振幅,讨论色散和非线性效应对脉冲的影响,得出光脉冲在经过锥形光纤耦合传输后其形状保持不变的结论。     

基于表面开孔光纤的集成式亚硝酸盐微流荧光传感器

利用中空悬挂芯光纤研制了一种将荧光猝灭反应区建立在空心光纤内部的光纤集成荧光在线微流传感器。利用CO2激光器在光纤表面刻蚀微孔,使得试剂可由微孔注入光纤内部并混合形成稳定的微流。在悬挂芯光纤纤芯倏逝场的激发下,指示剂分子产生荧光,所产生的荧光被耦合到纤芯内部并在出射端被检测。文中利用光纤内部的荧光猝灭反应实验确定了亚硝酸盐溶液的浓度。结果显示:微流可在短时间通过光纤,传感器能以较快的速度检测溶液浓度。另外,当亚硝酸盐溶液的浓度为0.1~2.6mmol/L时,荧光猝灭程度与溶液浓度呈较好的线性关系,结果证明了该集成式光纤内微流控传感器方案用于微量荧光检测的可行性。     

扭转抑制光纤陀螺法拉第效应的理论研究

光纤陀螺法拉第磁光效应作为非互易性误差源,是影响光纤陀螺性能,尤其是影响光纤陀螺精度的主要原因之一。介绍了光纤陀螺的磁敏感机理,分析了光纤陀螺径向和轴向磁敏感性误差的主要来源。提出了通过在光纤陀螺原有光纤环上熔接反向扭转光纤的方法,引入比较高的圆双折射,对原有光纤环的非互易相位差进行补偿,达到抑制光纤陀螺磁敏感性误差的目的,探讨了该方法的可行性,并对补偿特征进行了仿真分析。     

Er3+/Yb3+共掺双包层光纤的高功率L-band 光纤激光器的实验研究

采用端面泵浦的方式,用尾纤输出波长为976 nm的高亮度多模半导体激光器, 包层泵浦的铒镱共掺双包层大模面积光纤,非球面镜组耦合系统,进行了共掺双包层光纤的高功率L-band光纤激光器的研究,泵浦耦合效率达到了62%以上,并在F-P激光振荡腔中实现了高效的连续激光输出。在光纤长度为30 m、入纤功率为 13.41 W时,首次报道输出连续功率达到了4.3 W。激光器的斜率效率为44％, 激光输出中心波长1 603 nm。     

橡胶基密封复合材料中混杂纤维增强效应的研究

分别选用芳纶纤维、预氧化丝纤维以及两者构成的混杂纤维作为增强纤维制备了非石棉纤维增强橡胶基密封复合材料(NAFC),以材料高温时效处理后的残余横向抗拉强度为指标,研究了不同增强纤维对NAFC材料高温性能的影响。利用扫描电镜(SEM)分析了材料拉伸断面形貌,探讨了混杂纤维增强机制,分析了混杂效应系数的主要影响因素,研究了混杂效应系数与材料横向抗拉强度和应力松弛率之间的关系。研究结果表明,采用混杂纤维作为增强纤维可大大提高NAFC材料的耐高温性能,混杂纤维构成的网状结构中纤维间的相互作用限制了两者间的相对位移,有效抑止了裂纹的传播。采用纤维混杂效应系数可以较好地表征混杂纤维增强NAFC材料的力学性能。     

玄武岩/黄麻/聚乙烯复合材料性能的研究

采用熔融共混的方法制备了玄武岩(BF)/黄麻(JF)/聚乙烯(PE)复合材料,通过力学性能和扫描电镜(SEM)测试等方法研究了玄武岩纤维和处理方法对黄麻/聚乙烯复合材料性能的影响。     

基于全光纤干涉的新型光纤长度测量系统

设计了一种新型的光纤长度测量系统,该系统基于全光纤干涉系统,通过扫频系统和压电陶瓷实现对两束相干光信号的相位差进行调制,并在信号处理端检测出待测光纤的消光频率从而计算出待测光纤长度.与传统的时域反射仪(OTDR)测量方法相比,该系统不存在测量盲区,适用于各种长度光纤的测量.从理论上分析了系统的可行性,并用实验加以验证.实验结果表明该系统的测量结果与OTDR基本一致.     

石英光纤束辐射测温仪的研究

本文研究了直接耦合式特种石英光纤束低温辐射测温仪的理论和设计,实现了低至１２０℃的温度测量。研究表明,光纤束接收和传输靶目标的辐射功率与光纤束输入端和靶目标间距无关;且当光纤束轴与靶目标表面法线夹角小于±１５°时,也与夹角无关。因此仪器的校正和使用非常方便。在工业、农业、生物学和激光外科手术等领域有广泛用途。温度分辨率小于０．５℃。     

基于白光干涉的纳米级生物膜层厚度测试的研究

提出了利用光学干涉原理在光纤传感器端面上直接测量生物免疫反应的方法，能够测试到纳米级厚度生物膜层的亚纳米级厚度增加量。将生物膜(如抗原)固定在光纤探针端面上，入射光在光纤生物层、以及生物层一空气的界面处两次反射，由于两束反射光之间存在光程差，所以产生干涉现象，通过分析干涉谱线可以测量出抗原层的厚度。当抗原和抗体发生免疫反应后，生物膜层的厚度产生变化，干涉谱线产生移动，通过检测干涉谱线的移动来判断样本溶液中是否存在待测抗体。能够测试出亚纳米级生物膜厚度的增加量。给出了测试曲线。该方法测试精度高，结果可靠，测试系统简单，具有较强的实用性，并能够进行实时测量。     

基于光纤马赫泽德干涉的折射率测量

为了高精度的检测液体折射率,本文研究了基于模间干涉的马赫泽德光纤折射率传感器.传感器由普通的单模光纤和多模光纤组成,按照单模,多模,单模依次熔接在一起,并将熔接后的光纤进行拉锥处理,最终得到直径为10μm左右的传感头.实验结果表明,液体折射率在1.33到1.35范围内增大时,其透射谱的损耗峰将向长波方向移动.