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基于保偏光纤模式干涉的应变传感器研究

光电子．激光 2013年第6期24卷 1082-1085页

作者：宋海峰龚华平倪凯董新永中国计量学院光学与电子科技学院浙江杭州310018

为了进一步了解模式干涉光纤传感器的原理,并相应提高应变传感器的性能,提出一种基于保偏光纤(PMF)的模式干涉应变传感器。在两根单模光纤(SMF)之间,腰椎放大熔接一根长30mm的PMF,构成全光纤模式干涉传感器。应变的变化将会引起光纤的... 详细信息

为了进一步了解模式干涉光纤传感器的原理,并相应提高应变传感器的性能,提出一种基于保偏光纤(PMF)的模式干涉应变传感器。在两根单模光纤(SMF)之间,腰椎放大熔接一根长30mm的PMF,构成全光纤模式干涉传感器。应变的变化将会引起光纤的纤芯模与包层模相位差的变化,从而导致干涉光谱的变化。在应变范围为0～3 605με,通过光谱仪(OSA)检测宽带光源经光纤传感器后的透射光谱。采用最小二乘法对光强强度和应变进行线性拟合,发现光强减小的趋势与应变的变化有很高的线性关系,并测得应变的灵敏度可达到0.004dB/με,对应的分辨率为2.5με。本文传感器制造简单、费用较低和结构稳固,并且具有很高的分辨率,因此适用于实际测量。

关键词：传感器应变保偏光纤(PMF) 模式干涉腰椎放大

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双芯光子晶体光纤中的模式干涉

物理学报 2004年第8期53卷 2600-2606页

作者：任国斌王智娄淑琴简水生北京交通大学光波技术研究所

应用全矢量超格子叠加模型分析了双芯光子晶体光纤 (PCF)的模式特征 .双芯PCF的基模和二次模分别由偏振方向不同的两个偶模和两个奇模组成 ,讨论了这四个模式的模式电场奇偶性 .基于对双芯PCF模式电场奇偶性的认识 ,讨论了光纤中的矢量... 详细信息

应用全矢量超格子叠加模型分析了双芯光子晶体光纤 (PCF)的模式特征 .双芯PCF的基模和二次模分别由偏振方向不同的两个偶模和两个奇模组成 ,讨论了这四个模式的模式电场奇偶性 .基于对双芯PCF模式电场奇偶性的认识 ,讨论了光纤中的矢量模式干涉问题 .分析表明 ,不同偏振态模式的干涉不会引起芯间的功率转移 ,双芯PCF的芯间功率耦合是由相同偏振模式的干涉引起的 .在相同偏振模式干涉过程中 ,光功率在两个芯子中呈余弦振荡 ,光纤的两个芯子一般存在约π/ 2的相位差 .

关键词：光子晶体光纤双芯光纤模式干涉光纤耦合光纤通信

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保偏光纤的模式干涉传感特性

保偏光纤的模式干涉传感特性

作者：韩晓鹏黑龙江大学

学位级别：硕士

光纤传感具有反应迅速、高效安全、使用简单的特点,在物理、生化等领域均有广泛的应用。保偏光纤由于其高双折射、低偏振色散的性质可以作为传感的优良材质。相比其他干涉原理,Mach-Zehnder因其具有简单而稳定的特性更适用于光学干涉传... 详细信息

光纤传感具有反应迅速、高效安全、使用简单的特点,在物理、生化等领域均有广泛的应用。保偏光纤由于其高双折射、低偏振色散的性质可以作为传感的优良材质。相比其他干涉原理,Mach-Zehnder因其具有简单而稳定的特性更适用于光学干涉传感中。本文以Mach-Zehnder干涉原理为基础,在实验中利用保偏光纤设计并制作了三种保偏光纤模式干涉结构,针对保偏光纤中模式干涉理论进行了讨论,实现了温度、应变、折射率等物理量的传感测量,表征了这种干涉模式的传感特性。本文从以下几个方面进行了研究:(1)设计了一种基于保偏光纤温度、折射率测量的级联凸锥传感结构。以保偏光纤模式干涉理论为依据建立了理论温度灵敏度表达式,通过实际温度传感实验论证了理论的可行性。制作并优化出双凸锥结构进行折射率传感实验,在实验中获得了168.73 d B/RIU和17.656 nm/RIU的折射率灵敏度。(2)设计了一种凸凹锥结合结构,通过叠加的倏逝场效应以实现折射率传感增敏,实验结果表明:该种结构的折射率光强和波长灵敏度分别为310.40 d B/RIU和45.637 nm/RIU,由环境温度变化带来的交叉串扰小于1.4×10。高于绝大多数光强度型折射率传感器。(3)设计了一种基于保偏光纤应变、温度同步测量的优化双凹锥传感结构,分析了凹锥中部球状纤芯对透射光谱消光比的影响。同比于相同参数下的双凹锥结构,该种结构具有更大的消光比和更低的透射损耗。传感实验表明所提出的这种结构的应变和温度灵敏度分别为37.13 pm/με和75.34 pm/℃。应变和温度测量的相对误差均小于1×10%,为实现应变、温度同步测量提供了一种新方案。

关键词：光纤传感器模式干涉马赫-曾德尔干涉保偏光纤温度折射率应变

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光子晶体光纤模式干涉型传感器

光子晶体光纤模式干涉型传感器

作者：邱孙杰南京大学

学位级别：硕士

在过去的十年中,由于很多独特的光学性质,光子晶体光纤吸引了越来越多的研究者关注。在传感领域,光子晶体光纤模式干涉型传感器近几年也迅速成为一个研究热点。本文主要设计了几种不同结构的光子晶体光纤模式干涉型传感器并实现其在折... 详细信息

在过去的十年中,由于很多独特的光学性质,光子晶体光纤吸引了越来越多的研究者关注。在传感领域,光子晶体光纤模式干涉型传感器近几年也迅速成为一个研究热点。本文主要设计了几种不同结构的光子晶体光纤模式干涉型传感器并实现其在折射率、温度、磁场、氢气传感等方面的应用。具体工作如下：1.设计光子晶体光纤模式干涉型折射率传感器。我们首先利用熔接方法在两段单模光纤中间熔接一小段光子晶体光纤构成一个模式干涉仪,然后分别利用酸微滴腐蚀法和火焰拉伸法设计了两种小型的光子晶体光纤模式干涉型折射率传感器。实验中,当用酸微滴腐蚀法把光子晶体光纤直径腐蚀到约70μm时,其折射率灵敏度达到775 nm/RIU;当用火焰拉伸法把光子晶体光纤直径拉细到约45μm时,其折射率灵敏度达到907 nm/RIU。这两种方法都减小了光子晶体光纤直径,提高了光子晶体光纤模式干涉型传感器的折射率灵敏度同时仍然保持温度不敏感的特性。2.设计光子晶体光纤模式干涉型温度传感器。我们通过在光子晶体光纤空气孔洞中灌入高热光系数液体(异丙醇)制备了一种高灵敏度的光子晶体光纤模式干涉型温度传感器,其温度灵敏度最高达到-166 pm/℃,比普通的光子晶体光纤模式干涉型温度传感器提高了几十倍,但折射率灵敏度依然有275 nm/RIU,会对温度传感造成干扰。于是为了消除折射率对温度传感的影响,我们又利用折射率非常高的软玻璃光子晶体光纤制备了一种折射率不敏感的软玻璃光子晶体光纤模式干涉型温度传感器,其温度灵敏度可达17 pm/℃,也比普通的光子晶体光纤模式干涉型温度传感器提高了几倍,同时其折射率灵敏度仅有-1 nm/RIU,不会对温度传感造成干扰。3.设计光子晶体光纤模式干涉型磁场传感器。我们将一根铝线和一个光子晶体光纤模式干涉仪粘在一起制备了一个基于安培力的光子晶体光纤模式干涉型磁场传感器。当铝线中通直流电,与铝线垂直方向加磁场时,铝线受到安培力作用发生弯曲从而带动光子晶体光纤发生弯曲,由于这种光子晶体光纤模式干涉仪对弯曲非常敏感,因此它可以用来进行磁场传感。在铝线通入100 mA电流时,磁场传感灵敏度可高达32.4 pm/mT。4.设计光子晶体光纤模式干涉型氢气传感器。我们先将一小段光子晶体光纤与单模光纤熔接,然后利用磁控溅射在光子晶体光纤端面和侧面镀上钯膜制备了一种反射式光子晶体光纤模式干涉型氢气传感器。当该传感器放在氢气环境中时,钯膜会吸收氢气改变其复折射率从而使反射光谱发生变化。实验中氢气浓度每变化1%(0%-5%氢气浓度范围内),谐振波长变化高达0.25 nm,比传统的基于光纤布拉格光栅的氢气传感器灵敏度高很多。总之,我们在光子晶体光纤传感领域做了一些研究,设计了几种不同结构不同用途的光子晶体光纤模式干涉型传感器,相信这会对光子晶体光纤未来在传感领域的发展有一定的借鉴意义。

关键词：光子晶体光纤模式干涉传感器折射率传感温度传感磁场传感氢气传感

基于模式干涉的纳升级液体量光纤折射率传感器研究

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基于模式干涉的纳升级液体量光纤折射率传感器研究

作者：张婷婷哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近些年来,随着对光纤的不断的深入研究,光纤传感技术得到了飞速的发展,具有重要的实用价值和广阔的应用前景。在各种类型的光纤传感器中,折射率传感器由于其在新兴的生化和医学应用方面的巨大潜力而受到了广泛的关注。V型光纤（V-groove... 详细信息

近些年来,随着对光纤的不断的深入研究,光纤传感技术得到了飞速的发展,具有重要的实用价值和广阔的应用前景。在各种类型的光纤传感器中,折射率传感器由于其在新兴的生化和医学应用方面的巨大潜力而受到了广泛的关注。V型光纤（V-groove fiber,VGF）是具有一条开放式V型通道的无芯石英光纤,其V型通道可以方便的与外界进行交互,是一种极佳的折射率传感器件。本论文对V型光纤的传感特性进行分析探究,主要工作如下:首先,阐述了基于V型光纤的单模光纤-V型光纤-单模光纤（Single Mode-V-groove-Single Mode,SVS）多模干涉型光纤传感结构的基本理论,基于有限元法对该传感器进行结构分析,得到传感器在空气中时VGF模式分布与光强分布,并对宽带透射谱进行仿真分析。其次,开展了基于V型光纤芯的SVS光纤传感器折射率传感特性理论仿真分析与实验研究。分别从传感器被折射率低于光纤本身的低折射率液体填充以及被折射率高于光纤本身的高折射率液体填充进行研究分析。仿真得到VGF中激励的端面模式分布,VGF不同长度以及液体半径对透射谱的影响。优化设计并制备了基于V型光纤芯的SVS折射率传感器。实验结果表明,在外界折射率1.33～1.37区间时,SVS传感器灵敏度为159.696 nm/RIU,在外界折射率1.66～1.70区间时,SVS传感器灵敏度为-960.11nm/RIU。最后,开展了基于液芯的SVS光纤传感器折射率传感特性理论仿真分析与实验研究。分别从传感器被折射率低于光纤本身的低折射率液体填充以及被折射率高于光纤本身的高折射率液体填充进行研究分析。仿真得到VGF中激励的端面模式分布,VGF不同长度、液体半径以及外界温度对透射谱的影响。优化设计并制备了基于液芯的SVS折射率传感器。实验结果表明,在外界折射率1.63～1.68区间时,SVS传感器灵敏度为-870.43nm/RIU。本文设计制作的SVS传感器具有结构简单、所需样品量在n L级别、可快速有效检测等优点,在生物医学检测领域有广泛的应用场景。

关键词： V型光纤光纤传感折射率传感模式干涉

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基于模式干涉的光纤磁场传感器的研究

基于模式干涉的光纤磁场传感器的研究

作者：齐晨英天津理工大学

学位级别：硕士

在线型马赫-曾德尔光纤干涉仪可以在单根光纤中实现参考光与信号光的干涉,具有体积小、集成度高、灵敏度高、响应迅速、动态范围大、环境适应能力强等优势,在军事、医疗、环境保护等领域中有着重要研究价值。本文利用熔接机放电和氢气... 详细信息

在线型马赫-曾德尔光纤干涉仪可以在单根光纤中实现参考光与信号光的干涉,具有体积小、集成度高、灵敏度高、响应迅速、动态范围大、环境适应能力强等优势,在军事、医疗、环境保护等领域中有着重要研究价值。本文利用熔接机放电和氢气火焰加热拉锥两种制备方法,开发了新型全光纤模式干涉仪,并对其磁场传感特性展开了理论分析和实验探究,实现了高灵敏度的磁场测量,在弱磁场探测领域有着良好的应用前景。主要研究内容如下:(1)设计了一种基于非对称倾斜光纤锥的紧凑型光纤干涉仪。该干涉仪结构仅通过对一段单模光纤上两个邻近位置进行电弧放电和非轴向拉锥就可以实现,腰锥中心位置偏移光纤锥中心且长度小于1 mm。结果表明该干涉仪灵敏度为77.53 pm/Oe,该传感器具有多模传输、低成本、体积小、机械强度高等特点。(2)利用熔接机电弧放电拉锥和氢气火焰加热拉制相结合的方法制作了一种微光纤锥结构,此结构为非绝热光纤锥。通过两次拉锥,在光纤直径骤减的锥区中间制得一段极细长且均匀的腰锥,具有较强的倏逝场,对外界环境物理参量的变化更为敏感。利用磁流体对其进行封装,借助倏逝场效应与磁流体的折射率可调谐特性,制作了能够对磁场进行测量的光纤传感器。当外界磁场变化时,其干涉峰发生漂移,实验获得其灵敏度为193.28 pm/Oe。(3)引入少模光纤并对其通过熔接机电弧放电拉锥和氢气火焰加热拉制方法进行拉锥,设计了基于拉锥少模光纤的磁场传感器结构,在单模-少模-单模结构中由于模场失配,光从单模光纤耦合到少模光纤中时能够激发出高阶模式。同时由于非绝热锥型结构的特点,光在锥型结构区域会进一步激发产生多重模式干涉,加强了锥腰区域的倏逝场强度,从而提升传感器的灵敏度。通过分析随磁场变化时的透射谱漂移情况,获得磁场敏感度为133.92 pm/Oe。

关键词：光纤传感器模式干涉光纤锥结构磁场传感

基于光纤Bragg光栅及模式干涉的倾斜传感器的研究

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基于光纤Bragg光栅及模式干涉的倾斜传感器的研究

作者：许海洋厦门大学

学位级别：硕士

相比传统的电子式倾斜传感器,光纤倾斜传感器具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点。近年来,随着运动馆、游泳馆、商业高楼等大型建筑的兴建,地基健康的监测己逐渐成为国内外研究的热点,特别是光纤倾斜传感器受到了广泛的关... 详细信息

相比传统的电子式倾斜传感器,光纤倾斜传感器具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点。近年来,随着运动馆、游泳馆、商业高楼等大型建筑的兴建,地基健康的监测己逐渐成为国内外研究的热点,特别是光纤倾斜传感器受到了广泛的关注。然而目前的光纤倾斜传感器普遍都存在测量范围小、灵敏度低的缺点。本论文主要围绕光纤倾斜传感系统展开,重点研究了基于光纤Bragg光栅及模式干涉的倾斜传感器。主要工作体现在以下三个方面:(1)在光纤传感技术原理的基础上,设计了一种新型的拉伸式光纤倾斜传感器结构。该传感器结构简单,检测性能稳定,具有良好的机械性能,抗干扰能力强,适用于各种复杂环境。本文重点分析了该倾斜传感器结构设计的理论依据和测量原理。基于该新型的拉伸式结构,设计了光纤Bragg光栅倾斜传感器,并进行理论分析和实验研究。实验结果表明:在测量范围±8°内,基于光纤Bragg光栅的光纤倾斜传感器灵敏度能达到0.6109nm/deg,并具有良好的线性度。己查阅到的拉伸式光纤Bragg光栅倾斜传感器灵敏度为0.032nm/deg,与之相比灵敏度提升了近20倍。(2)对基于模式干涉的倾斜传感器,包括少模光纤的概念,基于少模光纤的M-Z干涉传感器做了比较系统的分析。文中重点分析了少模光纤的应变特性。基于新型的拉伸式结构及少模光纤,设计了模式干涉倾斜传感器,进行了理论分析和实验研究。实验结果表明:在测量范围±8°内,基于模式干涉的倾斜传感器具有极高的检测灵敏度2.5702nm/deg,及良好的线性度。已查阅的干涉型倾斜传感器灵敏度最高能达到2.346nm/deg,与之相比较灵敏度更高,并且本文基于芯子模式干涉的倾斜传感器更稳定,制作更加简单。(3)对光纤Bragg光栅及少模光纤进行包层减小的应变灵敏度实验,实验结果表明:直径腐蚀至95μm的光纤Bragg光栅应变灵敏度为腐蚀前的1.71倍,与其直径的平方基本成反比,直径腐蚀至95μm的少模光纤应变灵敏度为腐蚀前的1.37倍,均能够有效提高其应变灵敏度。

关键词：光纤倾斜传感高灵敏度模式干涉光纤Bragg光栅

基于模式干涉的全光纤生命体征参量传感技术研究

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基于模式干涉的全光纤生命体征参量传感技术研究

作者：冯瑶天津理工大学

学位级别：硕士

与传统传感器相比,由于光纤传感器具有结构紧凑、成本低、灵敏度高、耐腐蚀、耐恶劣环境以及抗电磁干扰等优点,因此被广泛应用于生命体征监测领域,可通过人体生理参数的变化来实现实时、高精度的生命体征监测。本文基于模式干涉原理,采... 详细信息

与传统传感器相比,由于光纤传感器具有结构紧凑、成本低、灵敏度高、耐腐蚀、耐恶劣环境以及抗电磁干扰等优点,因此被广泛应用于生命体征监测领域,可通过人体生理参数的变化来实现实时、高精度的生命体征监测。本文基于模式干涉原理,采用光纤传感器测量呼吸和心率,实现了静态测量的有效信息提取。主要研究内容如下:1、结合光纤的基本参数,研究了阶跃型光纤的电磁场理论,分析了光纤中的模式分布特性。利用模式干涉原理设计了SNS和SMS两种光纤传感结构,并基于这两种结构提出和演示了用于呼吸和心率监测的全光纤传感器,其中,无芯光纤和多模光纤是传感单元。此外,为了获得良好的实验效果,采用光束传播法对其结构以及相关参数进行模拟仿真分析。2、针对SMS和SNS两种结构研究了基于强度调制的光纤振动传感器,着重分析了光纤传感器对呼吸和心率的监测原理。通过处理示波器采集到的振动信号,两种结构对振动信号均有良好响应,验证了SMS和SNS用于实现呼吸和心率光纤传感器的可行性。搭建了监测人体心率和呼吸信号的实验平台,通过连续采集受试者运动后直至恢复平静过程中的心率信号研究心率传感的稳定性,采用变分模态分解算法对信号进行滤波处理。实验结果表明,本文所提出的传感器对不同的心率和呼吸频率均有良好的响应。其中,SNS结构测得的心率范围是50bpm到120bpm,所测得的呼吸频率范围是17 bpm到25 bpm;SMS结构对应的心率范围是81 bpm到114 bpm,呼吸频率范围是17 bpm到24 bpm。3、基于Lab VIEW提供的可视化编程语言的平台和开发环境,以及SNS光纤结构在心率和呼吸两方面测量的优越性能,将其与Lab VIEW系统结合来监测人体心率和呼吸频率。利用采集卡(PCIe?6351)和光电探测器实现光纤传感信号的采集和接收,搭建了基于Lab VIEW的生命体征参量测试可视化作展示平台,对于多参数生命体征监护平台的开发具有重要意义。

关键词：生命体征监测模式干涉全光纤传感器强度调制 LabVIEW系统

基于光纤模式干涉的轨道角动量产生机理及实验研究

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基于光纤模式干涉的轨道角动量产生机理及实验研究

作者：梁传灿重庆大学

学位级别：硕士

随着万物互联、大数据、云计算、虚拟现实等宽带消耗型业务呈现井喷式发展,现有光纤通信系统在传输容量方面面临巨大压力和挑战。目前通信系统几乎将幅度、频率/波长、相位、偏振态、时间等光波维度资源开发殆尽,其传输容量已逐渐逼近... 详细信息

随着万物互联、大数据、云计算、虚拟现实等宽带消耗型业务呈现井喷式发展,现有光纤通信系统在传输容量方面面临巨大压力和挑战。目前通信系统几乎将幅度、频率/波长、相位、偏振态、时间等光波维度资源开发殆尽,其传输容量已逐渐逼近非线性香农极限,迫切需要寻找提高通信容量的新型复用方式。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式由于能在空间维度进行光通信传输容量扩容,因此得到人们的广泛关注,其中产生稳定的OAM模式是一大研究热点。与在自由空间中产生OAM模式相比,直接在光纤中产生OAM模式具有插入损耗低、系统集成度高、稳定性好等优点。基于此,本文提出一种基于少模光纤模式干涉产生OAM模式的方法,主要研究内容如下:(1)提出了一种基于少模光纤模式干涉产生轨道角动量的方法,分析了光纤内产生OAM模式的机理,详细阐述了少模光纤引入微扰波导产生模式干涉的原理,并通过有限元法、光束传输法等方式研究了微扰波导长度、波导间距、偏芯距离等参数对干涉光谱对比度、自由光谱范围、模式转换效率的影响,为后续的微扰波导刻写以及器件的光谱特性分析提供了理论指导。(2)利用飞秒激光在两模光纤中引入微扰波导制备了模式干涉器件。实验中,首先从光纤夹持、透镜聚焦、光纤校直、成像系统和功率校正等方面对飞秒激光微加工系统进行设计、改装和优化;然后在单模光纤中研究了加工能量、波导长度、刻写速度以及偏芯距离等参数对波导传输损耗的影响,形成了较为完善的波导刻写工艺;最后通过在两模光纤中间隔一定距离写制两个微扰波导制备了全光纤模式干涉仪,其波导长度为450μm,偏芯距离为3.8μm,插入损耗为1.3dB,干涉光谱谐振峰深度达到22dB。此外,通过制备不同波导间距的模式干涉器件,研究了波导间距与自由光谱范围的关系。(3)利用上述模式干涉器件实现了OAM模式的产生,并采用空间干涉法对OAM模式的光强分布、螺旋相位进行了检测。中空的能量分布场以及与平面高斯光束或球面高斯光束干涉形成的“叉形”或螺旋图案均表明利用光纤模式干涉能够在谐振波长处成功地将左旋或右旋圆偏振的HE模式转变成拓扑荷数为±1的轨道角动量模式。

关键词：轨道角动量模式干涉飞秒激光两模光纤