基于微滴腐蚀的微纳光纤Farby-Perot腔的折射率传感特性

为了实现高精度和高灵敏度的折射率测量,采用微米级氢氟酸液滴化学腐蚀的方法制作非对称的微纳光纤Fabry-Perot (FP)腔,具有波导尺寸小、损耗低、双折射率高和腔Q值高等优点。不同正交偏振方向的谐振模式对外界折射率变化具有不同的响应,沿光纤快轴方向的模式折射率灵敏度为133.8 nm/RI-unit,沿光纤慢轴方向的模式折射率灵敏度为117.1 nm/RI-unit,快慢轴方向的温度灵敏度均为11.99 pm/℃,通过光谱仪监测两束偏振光的波长差可实现温度独立的折射率测量。采用不同FP腔参数的光纤传感器进行实验研究,结果表明,光纤FP传感器腔直径越小,腐蚀占腔长比越高,其折射率灵敏度越高。     

一种基于双模干涉的光纤折射率传感器

为实现高灵敏度的折射率测量,设计了一种基于双模干涉的光纤折射率传感器,该传感器为单模-多模-单模光纤(SMS)结构,其中单模光纤和多模光纤具有相同的直径和纤芯折射率。剥去多模光纤的包层,将其置于待测环境中,多模光纤中激发出的两个模式之间会发生干涉,当待测环境折射率发生变化时,干涉谱中的波谷会发生移动,可根据光谱中波谷的移动量来实现对折射率的测量。利用FDTD Solutions软件进行仿真模拟,得到不同折射率下的干涉谱,结果表明,位于1517.32nm的干涉谷对折射率的敏感度为1848.2nm/RIU,最小分辨率误差仅为2.74×10-5RIU。该传感器较传统光纤传感器而言,结构简单,有着高灵敏度、低分辨率误差等优点,应用前景广阔。     

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。     

光纤法布里-珀罗传感器的模式分析

利用模式理论分析白光光源条件下的光纤法布里-珀罗传感器的干涉谱的相位变化,推导得到反射光波在法珀腔内传播时由光程差(即两倍法珀腔腔长)和进入导入光纤时的模式耦合引起的相位变化对干涉谱的影响,并且用模式理论的方法分析了传感器法珀腔两个端面未完全平行时对其干涉谱的影响.     

基于全固光子带隙光纤的传感器的特性研究

为了实现对基于全固光子带隙光纤（AS-PBF）的传感器的特性研究,采用了双锥型模式干涉仪的结构,使用熔接机在一根AS-PBF上间隔一段距离制作两个锥形光纤,制备出一种基于双锥型模式干涉的特种光纤传感器。与传统单模光纤或折射率传导的光子晶体不同,AS-PBF的纤芯有效折射率较低,而包层有效折射率较高。通过理论分析和实验验证,测量研究了这种光纤结构对温度和轴向应力的响应。实验结果表明,温度灵敏度和轴向应力灵敏度分别为~63pm/oC和~-1.74nm/ N。与长周期光栅、布拉格光栅相比,基于全固带隙光纤的双锥型模式干涉传感器具有制备简单、结构紧凑等优势,在光纤传感领域具有广泛的应用前景。     

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。     

环形腔微光纤MZI的海水温/盐度同时测量的设计与模拟

为实现海水中温度和盐度(温/盐度)同时测量,设 计了一种环形腔微光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。首先,计算了MZI在不同温/盐度下的 输出光谱,光谱中同时存在谐 振峰和干涉峰,分别由环形腔谐振和MZ干涉引起,由于谐振峰和干涉峰对温/盐度变化的响 应不同,因而 可将其运用于海水的温/盐度同时测量;其次,为了提升MZI的测量灵敏度,计算了灵敏度 与 其结构参数的关系。结果表明,谐振峰的温/盐度灵敏度只与制成环形腔的微光纤直径有关 ,而干涉峰灵敏 度同时与MZI两个微光纤臂的直径和长度相关,当制成环形腔的微光纤臂是MZI两臂中直径 较 小且长度较大的一臂时,能得到较高的测量灵敏度。经过优化后,干涉峰的温/盐度灵 敏度比传统的 光纤光栅分别提升了75倍和约3650倍。本文 设计的MZI具有结构简单、灵敏度高的优点,可为研制新型的海洋微光纤传感器提供参考。     

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     

两路微振动信号的光纤F-P腔干涉测量

法布里-珀罗(F-P)腔传感器结构简单,复用能力强,对导致其腔长发生变化的物理量灵敏度高,在超精密测量领域日益受到重视.为了使用一套光纤F-P腔测量两个目标,设计了两路反馈信号光纤F-P腔干涉系统,同时开展两路微振动信号测量.对两路微振动反馈F-P腔干涉信号,经多次取包络分解,得到了高、低频信号频谱,进而计算出待测目标...     

基于模间干涉的折射率/曲率不敏感型PbS光纤温度传感器

提出了一种基于硫化铅(PbS)光纤的折射率/曲率不敏感的光纤温度传感器。该传感器制作简单,只需将一段PbS光纤无错位熔接在两段单模光纤之间即可。由于PbS光纤纤芯特殊的折射率分布,当光线由输入单模光纤进入PbS光纤时,它会在PbS光纤纤芯中激发出不同的模式,不同模式在进入输出单模光纤时将会发生干涉。当外界环境温度变化时,PbS光纤中不同模式间的光程差将会发生变化,从而引起传感器传输光谱的变化,因此可以通过检测传输光谱的变化实现对外界温度的测量。通过实验发现,PbS光纤长度为4mm时,即可得到完整的周期性干涉谱。对该传感器进行温度、折射率与曲率传感实验,可得温度灵敏度为55.45pm/℃,折射率灵敏度为2.08nm/RIU(其中RIU为单位折射率),曲率灵敏度为-0.29nm/m~(-1),说明该传感器对折射率和曲率不敏感,避免了温度测量时,折射率与曲率对其的影响。该传感器具有很小的结构尺寸,能够很好地应用在生物化学、工业生产等的温度测量场合。     

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。     

光纤布拉格光栅折射率传感研究进展

在介绍短周期光纤光栅(FBG)和微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)折射率传感原理的基础上,围绕如何提高FBG折射率传感灵敏度,详细论述了腐蚀法和抛磨法两种折射率传感技术方案的研究进展,对比分析了两种方案的优缺点。同时综述了微纳光纤和微纳光纤光栅应用于折射率传感的研究现状,指出了目前研究所面临的技术难题与解决方案,展望了FBG折射率传感技术的发展趋势,可为进一步开展基于光纤光栅器件的折射率传感研究提供参考。     

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。     

消逝波激励及增益耦合的柱形微腔回音廊模激光辐射

毛细管的折射率比溶液的折射率高,石英毛细管在被插入的溶液中形成圆柱形微腔。采用近轴向消逝波抽运的方法,使激光的染料增益局限于抽运光在染料区的消逝场范围内,极大地提高了消逝波耦合柱形微腔的抽运效率。与侧向抽运方式比较,柱形微腔回音廊模(WGM)激光的抽运阈值从200μJ降低到9.5μJ。实验所得到的激光谱线波长以及相邻谱线的波数间隔与回音廊模式的理论计算吻合,说明石英毛细管能得到与石英光纤类似的柱形微腔回音廊模激光辐射。     

微纳光纤马赫-泽德干涉仪

马赫-泽德干涉仪(MZI)是一种重要的光学和光子学器件,广泛应用于干涉计量、光通信等领域.基于干涉仪对波导及其周围介质折射率的相位敏感特性,MZI被广泛用作传感器和光调制器.最近,我们通过光学显微镜下的微纳操作,在低折射率衬底上分别用氧化硅和碲酸盐玻璃微纳光纤成功研制了微纳光纤MZI[1].     

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/%。     

渐变折射率多模光纤中的多模干涉应用研究

论述了SMS(单模-多模-单模)光纤结构的多模干涉基本理论,利用FD-BPM(有限差分光束传播法)对渐变折射率多模光纤和阶跃折射率多模光纤进行数值模拟,将自聚焦位置、激发模式等特征进行对比,给出渐变折射率多模光纤的优点。利用自聚焦效应,对渐变折射率多模光纤的聚焦和发散作用进行了理论分析,以较短的长度充当透镜的功能,并总结了现阶段的主要应用。     

基于弯曲光纤的折射率传感器研究

以标准单模光纤(SMF)在弯曲后出现的模间干涉为 基础,设计了一种新型的折射率光纤传感器,并分 别对环境折射率和温度进行了实验探究。光纤折射率传感器制作工艺简单,传感区域由一根 具有特定弯曲 半径的半圆形标准SMF构成。选取1510590nm波段为监测范围,选取裸光纤弯曲半径R=4.5mm; 在常温下,通过改变传感区周边环境折射率从1.328增长到1.372,得出两个干涉共振峰的 折射率灵敏度 分别为147.602和125.459nm/RIU。当环境温 度从23到33℃增长时,两峰的温度灵敏度 分别为－280pm/℃;而在低于23℃的情况下,温度的变化对传感器没有明显的影响,可以实现 温度不敏感的折射率测量。本文传感器制作方法简易、架构简单和灵敏度高,可适用于生化 检测、环境检测等领域。     

影响柱形微腔回音廊模激光抽运阈值能量的因素

将石英光纤浸入染料溶液中形成圆柱形微腔,并采用近轴向消逝场抽运的方式,激发染料溶液的激光增益。柱形微腔回音廊模(WGM)激光抽运阈值能量的高低与抽运激光的消逝场和回音廊模消逝场的空间重叠程度有直接关系,同时也需要考虑低阶与高阶回音廊模损耗的影响。通过改变染料溶液的折射率以及光纤直径,来改变回音廊模的消逝场分布,从而改变两种消逝场空间重叠的体积以及回音廊模的损耗。实验结果表明,柱腔直径不变时,存在一个最佳的溶液折射率值;同时,溶液折射率不变时,也存在一个最佳的柱腔直径,使得一阶回音廊模激光抽运阈值能量最低。     

变折射率光学微腔性能研究

本文使用时域有限差分法研究了六种不同折射率分布的圆柱型光学微腔，计算了不同阶径向回音壁模式的能量分布和在棱镜耦合状态下的品质因数，分析了渐变型和突变型折射率分布对微腔性能的影响。在此基础上讨论了通过改变折射率分布来选择性增强特定阶模式和改善微腔性能的途径，这对微腔研究与应用的进一步发展具有一定的指导意义。