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同时测量温度和应变的全单模光纤马赫-曾德尔干涉仪

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半导体光电 2019年第1期40卷 29-33页

作者：雷成秀朱永钦张轩宇于永森吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室长春130012

为了实现低成本的温度和应变同时测量,利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形,再将小球熔接到一起形... 详细信息

为了实现低成本的温度和应变同时测量,利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形,再将小球熔接到一起形成花生型结构;然后在距离花生结构15mm处,将两根单模光纤端面错位一定距离,对其进行熔接形成J型结构;最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现,CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.012 5dB/℃和52.9pm/℃,应变灵敏度分别为0.015 2dB/με和-11.44pm/με。结果表明,基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量,且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点,在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。

关键词：光纤马赫-曾德尔干涉仪花生结构 J型结构温度和应变同时测量

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基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的强度测量研究

光学与光电技术 2008年第5期6卷 42-44页

作者：武文彬刘维崔烨周强张婧首都师范大学物理系北京100048

根据光外差检测原理,分析得到干涉测量适用于信号光强小于参考光强的探测,直接测量适用于信号光强大于参考光强的探测的结论。利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统,对位移信号进行了测量。实验结果表明:当位移信号较小时,干涉测量的... 详细信息

根据光外差检测原理,分析得到干涉测量适用于信号光强小于参考光强的探测,直接测量适用于信号光强大于参考光强的探测的结论。利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统,对位移信号进行了测量。实验结果表明:当位移信号较小时,干涉测量的灵敏度分别为62.068μW/mm和9.90mV/mm,而非干涉测量的灵敏度分别为4.30μW/mm和0.35mV/mm;当位移信号较大时,干涉测量的灵敏度分别为2.643mV/mm和0.055mV/mm,非干涉测量的灵敏度分别为12.326mV/mm和4.194mV/mm,测量结果与分析得到的结论一致。对于光纤干涉仪强度调制检测的应用具有参考价值。

关键词：光纤马赫-曾德尔干涉仪干涉探测强度调制测量灵敏度

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微光纤马赫—曾德尔干涉仪的研究与应用

微光纤马赫—曾德尔干涉仪的研究与应用

作者：耿健南通大学

学位级别：硕士

微纳光纤(Micro-nano fiber,MNF)具有较高的表面场和倏逝波,因此能够大大提高传感器的灵敏度。微光纤马赫-曾德尔干涉仪(Microfiber-assisted MachZehnder Interferometer,MMZI)通过多模干涉(Multimode Interference,MMI)具有梳状透射谱的特性,对变量检测灵敏度高、响应快、稳定性好的优点。本文研究了3种不同结构的MMZI,并且实现光纤滤波器、光纤传感器方面的应用。通过不同的制作方法和光纤材料,使其具有较好的滤波和传感特性。本文的主要研究工作及成果如下:1.首次将光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)进行拉锥,制作出3 d B带宽为1.6842 nm,最大对比度为18 d B的梳状滤波器。通过理论分析和仿真模拟对MMZI的结构进行了论证,得出拉锥光栅为对称啁啾长周期光纤光栅(Chirp Long Period Fiber Grating,CLPG)-锥形光纤(Tapered Fiber,TF)-CLPG结构的MMZI。对Na Cl溶液折射率进行检测,发现MMZI的梳状透射谱带宽的倒数与溶液折射率呈线性关系。1550 nm处通道带宽的调谐精度为0.64318 nm/RIU。2.利用电弧放电和拉锥相结合的方法,首次制作出具有分离纤芯与双纺锤形结构的MMZI。微光纤和纤芯分离结构能够激发更多的高阶模式,从而提高传感器的灵敏度。通过仿真场分布确定了光的传输方式,理论分析并拟合了该MMZI的光谱。当MMZI中心锥区长度为4 mm时,温度和曲率的测量精度分别为1.2904 nm/oC和56.1947 nm/m。通过增加中心锥区的长度,可以提高传感器的灵敏度。当锥区长度为6 mm时温度和曲率的检测灵敏度分别为1.7563 nm/oC和60.8681 nm/m,其中温度的检测灵敏度在当前在MMZI的报道中是最高的。3.将保偏光纤(Polarization Maintaining Fiber,PMF)拉锥后制作为声音传感器。拉锥过程中PMF中心部位的应力区遭到破坏,形成保偏-非保偏-保偏结构的MMZI。利用MMZI对曲率进行检测,得到其灵敏度为1.7542 nm/m。将MMZI与宽带光源(Broad Band Source,BBS)、环形器、FBG、光电探测器组成的声波换能系统对频率为280、300、320、340、360 Hz的正弦信号声波进行检测。当声音频率为280 Hz和300 Hz时,检测灵敏度约为1.5 m V/Pa;当声音频率为320 Hz和340 Hz时,检测灵敏度约为7 m V/Pa;当声音频率为360 Hz时,检测灵敏度约为3 m V/Pa。该换能系统结构简单,灵敏度高,便于实际利用。

关键词：光纤马赫-曾德尔干涉仪微纳光纤梳状滤波器光纤传感器

基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤衍射光栅传感器

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基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤衍射光栅传感器

作者：夏乾坤中国计量大学

学位级别：硕士

光纤传感技术,经过几十年的发展已经应用于人类发展的方方面面,为各项工作展开提供了更加便捷的传感方式,提高了人们的生活水平。在光纤干涉型传感器中MZI(马赫-曾德尔干涉仪)是一个重要的分支。与光纤布拉格光栅不同,文章提出的光纤衍... 详细信息

光纤传感技术,经过几十年的发展已经应用于人类发展的方方面面,为各项工作展开提供了更加便捷的传感方式,提高了人们的生活水平。在光纤干涉型传感器中MZI(马赫-曾德尔干涉仪)是一个重要的分支。与光纤布拉格光栅不同,文章提出的光纤衍射光栅更多的还原了衍射光栅在空间中的分光能力。利用衍射光和零级光的干涉提出了一种新型的光纤马赫-曾德尔传感器。文章主要研究和实验了衍射光栅在光纤中的制作和其在传感中的应用,从理论和实验两个方面提出并解决了衍射光栅应用于光纤传感领域的多个问题,具体内容如下:1、根据衍射光栅理论总结了衍射光谱的变化规律。通过模拟验证了光栅各个参数对衍射光栅衍射效率的影响。2、利用飞秒激光微加工技术制作了不同的光纤内衍射光栅结构,成功地在光纤内得到了衍射效果极佳的衍射光栅。分析总结了衍射光栅在单模光纤和多模光纤中衍射光栅的不同点和相同点。3、根据马赫-曾德尔干涉仪原理在光纤内制作一对衍射光栅,分析了构成马赫-增德尔干涉的两条光路的大致路径。通过衍射光栅的衍射角,可以设置需要的光程差来制作光纤传感器。测量了一对衍射光栅不同间隔的传输损耗,不同间隔衍射光栅对的传输谱的自由光谱范围不同,其干涉模式也不同。文中分析了此间变化产生的原因。得到的传感器温度灵敏度在20-80℃范围内为8.03pm/℃、应变灵敏度在2000με内为-1.43 pm/με、折射率灵敏度在1.3367-1.3700范围内为363.41nm/RIU。

关键词：光纤马赫-曾德尔干涉仪衍射光栅光纤传感飞秒直写

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

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光学学报 2014年第11期34卷 58-63页

作者：傅海威闫旭李辉栋邵敏赵娜刘钦朋高宏贾振安乔学光西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室陕西西安710065 西北大学物理系陕西西安710069

设计和制作了一种基于单模-多模-细芯-单模光纤马赫-曾德尔（Mach—Zehnder）干涉仪结构，可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中，多模光纤和细芯-单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包... 详细信息

设计和制作了一种基于单模-多模-细芯-单模光纤马赫-曾德尔（Mach—Zehnder）干涉仪结构，可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中，多模光纤和细芯-单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模，不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差，再经细芯-单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移，通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP15模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55．90nm／RIU和0．0501nm／℃（其中RIU为折射率单位）；1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56．26nm／RIu和0．0505nm／℃。在折射率和温度的变化范围分别为1．3449-1．3972和20℃-90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究，结果表明：透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53．03nm／RIU和0．0465nm／℃；1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54．24nm／RIU和0．0542nm／℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。

关键词：光纤光学光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率和温度测量纤芯失配

中学物理实验教学探究——光纤马赫—曾德尔磁场传感器实验设计

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中学物理实验教学探究——光纤马赫—曾德尔磁场传感器实验设计

作者：丁相梓西北大学

学位级别：硕士

光学是中学物理教学中必不可少的一部分,实验是光学研究的基础,许多物理规律都是在实验基础上总结而来。实验作为物理教学中不可缺少的一环,其不仅能够培养学生的兴趣、动手能力以及思维能力,而且有助于学生对物理规律与知识的掌握。然... 详细信息

光学是中学物理教学中必不可少的一部分,实验是光学研究的基础,许多物理规律都是在实验基础上总结而来。实验作为物理教学中不可缺少的一环,其不仅能够培养学生的兴趣、动手能力以及思维能力,而且有助于学生对物理规律与知识的掌握。然而目前仍有部分地区学校的教师存在着重理论、轻实验的思想,对学生的发展产生了不利影响。作者基于研究生期间的研究内容,通过基于马赫-曾德尔干涉型磁场传感器理论分析与实验设计相结合的方式,论述了中学物理教学中实验所具有的重要意义以及教师在实验过程中所应保持的教育理念。本论文的主要研究内容如下:作者设计并实验论证了一种基于单模-多模-光子晶体光纤-单模结构和磁流体相结合的马赫-曾德尔干涉型磁场传感器。光子晶体光纤利用飞秒激光进行打孔,磁流体通过毛细管效应被填充到光子晶体光纤的包层空气孔内。多模光纤增强了高阶模式的激发并显著提高了磁场的灵敏度。磁场强度在2m T到20m T之间时,该传感器的波长灵敏度为0.07334nm/m T,在1m T和20m T磁场范围内获得了-0.13d B/m T的磁场强度灵敏度。该传感器结构内所有光纤均采用对芯拼接方式熔接制作,提高了传感器结构的机械强度并且降低了熔接损耗。其结构紧凑、成本低并且具有较高的机械强度,足以证明其在磁场传感中的潜在价值。以作者所设计的马赫-曾德尔干涉型磁场传感器为例,阐述了教师在整个实验过程中的重要作用及其正确的教育理念。实验前的准备工作中,教师以理论基础为主,注重于课堂讲解;实验进行过程中,教师更多的是扮演引导者的角色,充分发挥学生的自主能动性,培养学生在实验过程中的乐趣,着重于实验过程而非实验结果;实验结果的分析过程中,学生在教师的指导下,对实验结果进行处理分析并比较同类传感器,发现优缺点、评估创新性,优化或改进所制作的光纤磁场传感器。最后,教师基于整个实验过程总结分析以加深学生们的印象。

关键词：光纤马赫-曾德尔干涉仪中学物理实验教学光纤磁场传感器教育理念

基于光纤马赫-曾德尔任意偏振高斯光束干涉研究

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激光与光电子学进展 2022年第21期59卷 209-218页

作者：尚玉峰师钦贤杨一粟黄永清张勇北京邮电大学理学院北京100876 北京石油化工学院致远学院北京102617 北京邮电大学电子工程学院北京100876 中国电信股份有限公司北京分公司北京100031

光的干涉图样携带了光波的振幅、频率、相位和偏振等重要的信息,而两束任意偏振态高斯光束干涉尚未被详细研究,因此研究高斯光束的偏振态与干涉图样之间存在的关联很有必要。本文利用光纤马赫-曾德尔干涉仪,对任意偏振态高斯光束空间干... 详细信息

光的干涉图样携带了光波的振幅、频率、相位和偏振等重要的信息,而两束任意偏振态高斯光束干涉尚未被详细研究,因此研究高斯光束的偏振态与干涉图样之间存在的关联很有必要。本文利用光纤马赫-曾德尔干涉仪,对任意偏振态高斯光束空间干涉场进行了研究,得到了任意偏振态高斯光束干涉光强空间分布理论公式,并通过实验进行了验证。研究表明:两束偏振态完全相同高斯光束干涉,可以得到对比度为1的清晰干涉条纹图样;两束正交偏振态高斯光束无干涉现象,对比度为0;其他偏振条件下高斯光束干涉图样对比度介于0和1之间。本文理论和实验结果对于理解和应用偏振光干涉具有非常重要的意义。

关键词：物理光学偏振光干涉条纹对比度椭圆偏振圆偏振光纤马赫-曾德尔干涉仪

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

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光子学报 2017年第1期46卷 118-123页

作者：蒋友华傅海威张静乐贾振安乔学光西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室西安710065 西北大学物理系西安710069

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当... 详细信息

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm^(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10^(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.

关键词：光纤传感多芯光纤全光纤压力传感器光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤布喇格光栅双参量测量

基于MMF-GIF-MMF结构的MZI高灵敏度液体温度传感器

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光通信技术 2019年第7期43卷 5-8页

作者：李辉栋雍振张旋任涛西安石油大学理学院西安710065 西安市地下铁道有限责任公司运营分公司西安710000

为了便于检测液体温度,设计了一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)原理,结构为3段多模光纤级联的液体温度传感器。传感器由2段短阶跃多模光纤(MMF)和夹在中间的渐变多模光纤(GIF)组成,2段短MMF充当模式耦合器,GIF充当传感臂。从理论上... 详细信息

为了便于检测液体温度,设计了一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)原理,结构为3段多模光纤级联的液体温度传感器。传感器由2段短阶跃多模光纤(MMF)和夹在中间的渐变多模光纤(GIF)组成,2段短MMF充当模式耦合器,GIF充当传感臂。从理论上分析了该传感器输出干涉光谱波谷的中心波长随外界溶液温度变化的规律并进行了相应的实验研究。实验结果表明:液体温度变化范围为20℃~90℃时,中心波长的变化与液体温度变化有单调递增的线性关系,对应的灵敏度为64.14pm/℃;为了进一步提高传感器灵敏度,对传感器的传感臂进行腐蚀,灵敏度增至98.14pm/℃。

关键词：多模光纤光纤马赫-曾德尔干涉仪液温传感腐蚀