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。     

光纤布拉格光栅的折射率传感研究

采用光纤布拉格光栅制备折射率传感器,研究光纤光栅的折射率传感灵敏度与其包层直径之间的关系。理论分析可得,光栅包层直径越小,Bragg波长的偏移量随环境折射率变化的影响越大,这样就能使实验中光栅所反射的LD光功率变化(传感灵敏度)越明显。利用氢氟酸溶液腐蚀光栅包层的方法,得到不同包层直径的光纤Bragg光栅折射率传感器。实验指出,包层直径减小时,光栅可传感的折射率范围会缩小,而其折射率的传感灵敏度却会增大,如包层直径为8.9 μm时,折射率的检测范围为1.3872~1.4730,其最大灵敏度值达到了224.0320 dBm/RIU。     

基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究

基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪(MI)原理,结合光纤传感器的特性,设计和实现了一种单模光纤(SMF)偏芯干涉仪结构光纤折射率传感器,并针对蔗糖溶液进行了折射率的测量。实验结果表明:这种传感器的传感范围在1.33～1.39时,特征波长与外界折射率有单调的递减变化关系,蔗糖折射率每变化0.01时,特征波长平均变化约为0.12nm。这种传感器结构简单,灵敏度较高,能够实现液体折射率与浓度变化的在线检测。     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31~1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU-1,折射率测量精度为2.94×10-5RIU。     

基于长周期光纤光栅的折射率传感器

长周期光纤光栅具有制作成本低、无背向反射、结构紧凑等优点,且对外界折射率变化有较高的敏感性,特别适用于折射率传感．简要概括了长周期光纤光栅折射率传感的基本原理,介绍了基于长周期光纤光栅的折射率传感器的研究进展,目前的研究重点集中在克服温度交叉干扰、提高传感精度以及拓宽传感范围的方面,比较了各种方案的优缺点．     

基于纺锤型空气腔的光纤马赫-曾德尔折射率传感器

设计了一种基于光纤纺锤型空气腔的三明治结构全光纤马赫-曾德尔折射率传感器。纺锤型空气腔是通过普通单模光纤和光子晶体光纤熔接后再拉锥形成的。锥区的纺锤型空气腔和包层分别作为参考臂和传感臂,从而形成马赫-曾德尔干涉。基于FDTD Solutions和COMSOL仿真软件分别对传感器的干涉条纹及锥区电场分布进行了仿真,得到了折射率传感器干涉条纹波谷波长和有效折射率与环境折射率的关系。当环境折射率为1.36~1.37和1.37~1.38时,灵敏度分别为1 377.6和1 436nm/RIU。此传感器具有极短的干涉臂,能够降低损耗,且具有较高的折射率灵敏度。     

选择性填充的光子晶体光纤传感特性研究

针对填充时利用不同填充结构材料对光子晶体光纤(photonic crystal fiber,FCF)传感特性的影响进行了研究,通过建立理论模型,利用有限元模拟对填充后的FCF的温度特性进行了分析。研究表明,填充折射率匹配液后,光纤传感器的温度灵敏度明显增大,对于相同的填充结构,填充占空比越大,输入波长越长,传感器的温度灵敏度越高。     

光纤光栅倏逝波传感器灵敏度研究

基于光纤布喇格光栅传感原理,分析了倏逝波光纤布喇格光栅(EWFBG)传感器的传感特征,建立了传感器反射波长随环境折射率变化的数学模型,并导出了波长灵敏度函数。结合函数分析了传感器的光纤光栅直径、外界液体折射率与灵敏度的关系,运用模式耦合理论进行模拟。结果表明,光纤传感区域纤芯越细,外界液体折射率与纤芯折射率相差越小,其反射中心波长漂移量越大,传感器灵敏度越高。通过对纤芯直径为6.2μm和8.2μm在1.33¹.46环境折射率范围内的波长响应关系拟合,分别获得了1.25nm和1.14nm的波长变化量,灵敏度数量级为10-51.46环境折射率范围内的波长响应关系拟合,分别获得了1.25nm和1.14nm的波长变化量,灵敏度数量级为10-5¹0-6,论证了分析结论的正确性。为EWFBG折射率传感器的设计、优化及应用提供了参考依据。     

D型贴膜光纤折射率传感特性研究

本文提出一种贴膜D型光纤用于折射率传感,采用半解析方法建立模型,并分析计算在不同纤芯贴膜距离、贴膜厚度、贴膜折射率、工作波长条件下贴膜D型光纤工作性能,发现其折射率传感性能较普通D型光纤有较大提高,同时设计了两种工作在不同传感要求范围条件下的贴膜D型光纤。     

增敏型级联双参量测量的光纤传感器北大核心CSCD

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。     

A novel structure of silicon-on-insulator microring biosensor based on Young's two-slit interference and its simulation

A novel silicon-on-insulator microring biosensor based on Young’s twoslit interference has been demonstrated. The transducer signal from electric field intensity distribution on the interference screen is given by using the transfer matrix method(TMM) and two-slit interference principle.The result shows that the structure we propose is advantageous for sensing as the interference pattern is very sensitive to the ambient refractive index around the microring.A small perturbation in refractive index around the microring△n_c will result in a notable shift of destructive interference points(DIPs) on the interference screen.By detecting the shift of the DIPs,the ambient refractive index change can be obtained.     

一种基于Abel变换的温度场重建方法

光学干涉测量通常以干涉条纹的形式显示被测对像的信息,如何从干涉条纹中获得被测流场的投影数据是重建流场的首要问题;本文提出获取流场折射率投影数据的一种方法,该方法是根据干涉条纹位移量和折射率的Abel变换关系式,将被测流场分割成不等间距的若干个圆环,使得在每一个分割间距内恰出现一条条纹,则条纹密集处获得数据点多,保证了重建的精度;通过计算机模拟验证了该方法不仅简单易行,而且获取的折射率分布的精度高;最后将该方法应用到轴对称温度场中,由折射率重建了三维温度分布。     

图像模拟在白炽灯气体折射率全息CT测量中的应用

简要介绍白炽灯点燃过程中灯内气体折射率三维分布测量的实时全息干涉图像．根据密闭气体被灯丝加热时所涉及的物理问题建立简化的物理及数学模型．并利用数字图像处理技术对全息干涉图像的形成过程进行模拟研究。研究结果表明．当灯泡外空间的折射率变化不均匀时．灯泡投影区域内的干涉图像将同时带有灯内外气体折射率变化的信息．利用干涉图像中灯泡投影区域外干涉条纹的测量结果可以对实际测量结果进行修正。此外．根据研究结果及全息CT技术．给出了忽略灯泡外空间的折射率变化影响时白炽灯内气体折射率三维分布测量的实例。     

热圆柱体表面温度的干涉法测量

介绍一种利用干涉原理测量热圆柱体表面温度的方法,首先,在对圆柱体周围空气的温度和折射率分布特点进行分析的基础上,建立Fizeau等厚干涉系统,调整光路使干涉条纹稳定且等间距。然后,将圆柱体水平放置于干涉光路中加热,记录物体加热前后干涉条纹图像,利用曲线拟合和轮廓跟踪算法对图像进行处理,进而计算出紧靠圆柱体表面处空气的折射率。最后,利用热圆柱体附近空气温度分布的特点,以及空气温度和折射率之间的关系,确定圆柱体的表面温度。结果表明：此方法的测量精度不低于1％,温度分辨率不低于0．1K。     

基于飞秒激光制备的光纤Fabry-Perot折射率传感器

在对光纤Fabry-Perot(F-P)传感器多光束干 涉原理仿真分析的基础上,利用波长为800nm的飞秒 激光脉冲在普通单模光纤(SMF)上制备微型传感器,并对其折射率响应性能进行了实验测试 。理论分析表明,在低、高折射率区域,F-P传感器的反射谱对比度随着折射率的增加分别 呈现先降低后增加的趋势(折射率高低分界点1．457)。飞秒激光 的制备方法通过计算机控制腔长等可以进行参数可选择的微型光纤F-P传感器的制作。利用 制备的传感器对一系列不同折 射率的溶液进行了折射率响应测试实验,测试结果表明,传感器反射谱对比度对低折射率物 质(折射率小于 1.457)的灵敏度为27.65dB/RI,对高折射 率 物质(折射率大于1.457)的灵敏度为3.50dB /RI,且均具有良好的线性响应。     

基于空芯光子晶体光纤的F-P干涉式折射率计

提出了一种基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)的Fabry-Perot(F-P)干涉式高灵敏度折射率计。利用被测液体进入F-P腔后可改变腔内介质的折射率,从而使得干涉光光程差发生变化这一特点,通过检测光程差的变化就可实现对液体折射率的测量。实验结果表明,对折射率在1.3340～1.3612内变化的不同浓度酒精溶液测量时,光程差变化了9.508μm,其折射率测量灵敏度可达187μm/RI     

镀膜级联长周期光纤光栅折射率传感研究

镀膜的级联长周期光纤光栅（Cascaded Long-Period Fiber Gratings, CLPFGs）对膜层的折射率及环境折射率有很高的敏感性, 可用作气体传感器或溶液浓度传感器。本文采用耦合模理论与传输矩阵法, 数值计算了不同薄膜厚度下镀膜CLPFGs干涉峰波长的相对变化率与薄膜折射率的相对变化率的比值, 及不同薄膜厚度下镀膜CLPFGs干涉峰波长的相对变化率与环境折射率的相对变化率的比值。选择恰当的镀膜厚度, 使镀膜CLPFGs传感器的灵敏度最优化, 结果表明镀膜CLPFGs传感器对薄膜折射率及环境折射率的分辨率可达10-5。     

基于多模干涉和长周期光纤光栅的温度及折射率同时测量

基于多模干涉理论和长周期光纤光栅(LPFG)的传感特性,提出了一种单模-多模-单模(SMS)结构与LPFG级联的光纤传感器,实现了温度和折射率的同时测量。实验结果表明,SMS结构的干涉谱和LPFG对温度和折射率具有不同响应灵敏度,其温度灵敏度分别为0.017nm/℃和0.060nm/℃;SMS结构对折射率不敏感,而LPFG的折射率灵敏度为-35.60nm/RIU(RIU为折射率单位)。因此利用敏感矩阵,实现对温度和折射率的同时测量,得到温度和折射率的最大测量误差分别为±0.59℃和±0.0013。该结构灵敏度高、结构简单,且不易受电磁等干扰。实验结果具有良好的线性度,在生物化学领域应用前景良好。     

光学相控器件调制误差对干涉投影条纹的影响

以马赫泽德干涉光路结构为基础,采用电光材料的光学相控技术产生用于光学形貌测量的干涉投影条纹。为了研究电光晶体作为光学相控器件的相位调制误差对干涉条纹质量的影响,建立了电光晶体对干涉条纹质量的模型,分析晶体折射率、平面度与波前调制的关系及其对干涉条纹质量的影响。仿真结果表明,电光晶体调制误差会影响干涉条纹质量。理想平面度下晶体折射率的畸变会使干涉条纹变形,折射率离散化阶数直接影响投影条纹的高次谐波成分,甚至导致投影条纹严重失真;折射率理想的情况下,晶体平面度的差异也会造成干涉条纹不同程度的形变。