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基于全光纤双折射滤波器的灵敏度增强型传感应用研究

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基于全光纤双折射滤波器的灵敏度增强型传感应用研究

作者：田荣天津理工大学

学位级别：硕士

由于光纤传感领域仍然需要突破面向实际应用场景的高精度和高灵敏度问题,探索适宜的测量方案和提高传感性能是目前的主要研究方向。本文在光纤传感系统的背景下,理论研究了基于保偏光纤的双折射型滤波器,并进行了数值分析和模拟仿真。... 详细信息

由于光纤传感领域仍然需要突破面向实际应用场景的高精度和高灵敏度问题,探索适宜的测量方案和提高传感性能是目前的主要研究方向。本文在光纤传感系统的背景下,理论研究了基于保偏光纤的双折射型滤波器,并进行了数值分析和模拟仿真。以研究滤波器的性能为突破点,面向光纤传感领域对被测参数高灵敏度的应用需求,优化设计了传统光纤滤波器并对其进行了实验测试。在此基础上,开展了所搭建双折射光纤滤波器的灵敏度增强型传感应用研究工作,实现了光纤传感器性能的提升。主要研究内容如下:1、提出了基于45°拼接的PM Lyot双折射光纤滤波器,基于该滤波器研制了全光纤高灵敏度位移传感器,并对其传感性能进行了实验研究。利用琼斯矩阵推导出该滤波器的透射谱函数,仿真结果表明,PM光纤的双折射和熔接角分别对位移灵敏度和光谱调制深度有明显影响。而且基于Lyot滤波器的传感器具有良好的线性响应。在200μm位移变化范围内,最终获得了122.81 pm/μm的灵敏度,其R大于0.997。此外,传感器与腔内系统兼容,可以缩小线宽并提高信噪比(SNR),从而实现高分辨率传感。实验证明,腔内位移传感器的灵敏度可达60 pm/μm,线宽小于0.05 nm,信噪比高于55 d B。另外,重点分析了无源模式和有源系统的灵敏度及波长稳定性差异。2、研究并搭建了基于45°拼接的PM Lyot滤波器的全光纤温度传感器,阐述了热光效应和热膨胀效应对温度灵敏度的影响,实验获得的温度灵敏度为-1.1nm/℃,R大于0.998。详细介绍了温敏水凝胶的特性及其在光纤传感领域的增敏机理。为了提高温度灵敏度,制作了基于涂覆水凝胶的Lyot滤波器的温度传感器,最终获得的灵敏度为-2.72 nm/℃,R为0.996。分析对比水凝胶涂覆前后的实验结果,涂覆后的温度灵敏度提升了约2.5倍,而且具有更好的波长稳定性。3、对45°拼接的PM Lyot滤波器进行优化设计,提出并搭建了一种全光纤类Lyot滤波器。利用琼斯矩阵对该滤波器的光谱特性进行模拟仿真,分析指出滤波器无需重构光纤,通过调节偏振控制器可以实现滤波带宽的调谐,并得到了实验验证。基于类Lyot滤波设计并研制了光纤传感器,根据保偏光纤对于外界位移和温度的不同响应,实现了同时传感测量。此外,实验研究了不同滤波带宽下的传感性能,结果表明,通过带宽调谐,位移和温度的灵敏度可提升至119.45pm/nm和-1385.12 pm/℃。

关键词：双折射光纤滤波器偏振干涉水凝胶灵敏度增强光纤传感器

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光纤加速度传感的灵敏度增强方法研究

光纤加速度传感的灵敏度增强方法研究

作者：高菲哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

当前,光纤加速度传感器发展迅速,其应用领域不仅仅局限于军事领域,在地质结构勘探、地震监测、石油探测、机器安全检测等民用领域也得到了广泛的应用,于此同时对其性能也提出了较高的要求。目前,光纤加速度传感器的灵敏度与某些应用领... 详细信息

当前,光纤加速度传感器发展迅速,其应用领域不仅仅局限于军事领域,在地质结构勘探、地震监测、石油探测、机器安全检测等民用领域也得到了广泛的应用,于此同时对其性能也提出了较高的要求。目前,光纤加速度传感器的灵敏度与某些应用领域的要求还存在一定的差距,未能实现极微弱加速度信号的探测,极大的制约了其应用领域的扩展。怎样实现光纤加速度传感器的高灵敏度成为亟需解决的问题,国内外众多研究者将研究目光汇聚于此,开展了光纤加速度传感器的灵敏度增强研究,从而推动了光纤加速度传感器的进一步发展。本文以盘式光纤加速度传感器为模型,对光纤加速度传感器的灵敏度增强方法展开了系统研究,主要研究体现在:(1)对盘式光纤加速度传感器的感知方法与技术进行了研究。在综合考虑盘片弯曲所产生的径向应变和环向应变的基础上,建立了盘式光纤加速度计的灵敏度、谐振频率理论模型,并对相关结构参数进行了数值仿真;利用有限元软件对盘式光纤加速度传感器的应力应变状态进行了软件仿真,并将理论结果与软件仿真结果进行了对比分析。(2)对盘式光纤加速度传感器的灵敏度增强方法进行了研究。探讨了光纤盘粘贴区:域、弹性盘片尺寸、传感光纤类型三种因素对灵敏度的影响,综合三者的优化方案,提出了采用多层光纤敏感盘对盘式光纤加速度传感器进行灵敏度增强的方案,并进行了有限元软件仿真建模。(3)对盘式光纤加速度传感器实用化技术进行了研究。完成了高灵敏度盘式光纤加速度传感器的结构设计与制作、一维及一体化三维光纤加速度传感器的封装工艺研究。(4)对盘式光纤加速度传感器的性能测试方案进行了研究。搭建了盘式光纤加速度传感器的性能测试系统,并对一维光纤加速度传感器进行了性能测试,并在此基础上开展了一体化三维光纤加速度传感器的外场和地震信号探测实验研究。研究结果表明:用多层缠绕光纤环的方法可有效实现盘式光纤加速度传感器灵敏度的倍增;制作的一维光纤加速度传感器的灵敏度高于6243.4 rad/g,谐振频率达到185 Hz,分辨率优于50.68ng/(?),动态范围优于113.96dB;一体化三维光纤加速度传感器外场实验效果理想,可探测到地震信号。

关键词：光纤传感加速度灵敏度增强仿真模型

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非制冷红外探测器灵敏度增强新方法

传感器世界 2019年第11期 38-38页

Applied Physics Letters报导了中科院苏州生物医学工程技术研究所李传宇、周连群等开展的基于光—热—声效应的薄膜压电Lamb波红外探测技术研究,他们提出了一种通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺(PDA)纳米粒子的

关键词：非制冷红外探测器传感器灵敏度增强

采用TiO_2薄膜增强光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的建模分析

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中国激光 2018年第6期45卷 262-269页

作者：童凯党鹏汪梅婷王福成孙家儒王允轩燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004 燕山大学里仁学院河北秦皇岛066004

提出一种采用TiO_2膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO_2薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合... 详细信息

提出一种采用TiO_2膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO_2薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合特性及其性能。结果表明,在待测介质折射率为1.33~1.38时,待测介质折射率与传感器的共振波长呈线性关系,线性相关度为0.9806,传感器的平均灵敏度为4200nm·RIU-1。此外,进一步分析了光子晶体光纤空气孔大小、银膜厚度、TiO_2厚度等参数对传感器性能的影响。结果表明,改变结构参数可以优化生物传感器的输出光谱、改善传感器的性能。

关键词：传感器表面等离子体共振光子晶体光纤全矢量有限元法灵敏度增强

增强偏振光时域反射计灵敏度的光缆布设方案研究

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传感技术学报 2020年第4期33卷 479-484页

作者：窦蓉蓉张伦强顾婧张子敬张元成庄建军南京大学电子科学与工程学院南京210093 南京大学现代工程与应用科学学院南京210093

偏振光时域反射计(POTDR)通过探测光纤中光波偏振态的变化,可实现对光纤所受扰动的分布式测量,在周界安防领域有巨大的应用潜力。外界扰动在光纤上的作用方式对POTDR的灵敏度有重要的影响。在传统POTDR的基础上,研究了光缆的布线方式对... 详细信息

偏振光时域反射计(POTDR)通过探测光纤中光波偏振态的变化,可实现对光纤所受扰动的分布式测量,在周界安防领域有巨大的应用潜力。外界扰动在光纤上的作用方式对POTDR的灵敏度有重要的影响。在传统POTDR的基础上,研究了光缆的布线方式对传感系统灵敏度的影响,通过分析对比外界作用力与光纤感生双折射之间的关系,设计了两种可以提高POTDR传感灵敏度的布线方案。实验结果表明,以一般的平直式布线方式为对照,在同样的外界扰动影响下,本文提出的两种光缆布线方案,均可极大提高POTDR的传感灵敏度,对扰动事件的报警率从50%提高到了90%以上。

关键词：光纤传感偏振光时域反射计灵敏度增强扰动监测布线方式

高灵敏度干涉定量相位显微前沿进展与应用(封面文章·特邀)

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红外与激光工程 2024年第9期53卷 1-17页

作者：周楠森吴沐蕾聂宇洁程加雨周仁杰香港中文大学生物医学工程系中国香港特别行政区999077 深圳市倍捷锐生物医学科技有限公司广东深圳518000 南开大学物理科学学院天津300071

在无标记原生状态下对活细胞进行精准观测具有重大挑战,因其结构变化引起的形变可小至亚纳米尺度。此外,针对下一代原子级尺度制造,缺乏高精度在线表征工具将导致大规模芯片生产中良品率偏低。干涉定量相位显微技术(Interferometric Qua... 详细信息

在无标记原生状态下对活细胞进行精准观测具有重大挑战,因其结构变化引起的形变可小至亚纳米尺度。此外,针对下一代原子级尺度制造,缺乏高精度在线表征工具将导致大规模芯片生产中良品率偏低。干涉定量相位显微技术(Interferometric Quantitative Phase Microscopy,iQPM)作为一种无标记宽场显微技术,已被广泛应用于定量解析样本形貌及其动态变化,在晶圆缺陷检测与疾病诊断等应用上展现出巨大潜力。文中聚焦于高灵敏度iQPM技术的发展,首先介绍iQPM的工作原理、相位灵敏度理论和制约因素。针对细胞动态分析及原子材料计量需求,从干涉光路设计、探测和照明等方面进一步讨论了相位灵敏度极限拓展的策略,并梳理高灵敏度iQPM在前沿应用领域的进展。最后,分析并讨论了相位灵敏度提升的新思路。

关键词：定量相位显微灵敏度增强干涉显微成像弱信号探测

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运用预饱和对HOESY实验灵敏度优化

波谱学杂志 2008年第4期25卷 447-452页

作者：姚雪军朱广上海市功能磁共振成像重点实验室、华东师范大学物理系上海200062 香港科技大学生物化学系中国香港

二维异核NOESY(HOESY)内在的低灵敏度限制其在结构分析上的应用,利用1H探测(反式探测)可以提高其灵敏度.这里我们提出一种预饱和二维13C-1H HOESY实验,利用异核之间的NOE增强效应,进一步提高实验的灵敏度.1H探测HOESY谱图中经常有严重... 详细信息

二维异核NOESY(HOESY)内在的低灵敏度限制其在结构分析上的应用,利用1H探测(反式探测)可以提高其灵敏度.这里我们提出一种预饱和二维13C-1H HOESY实验,利用异核之间的NOE增强效应,进一步提高实验的灵敏度.1H探测HOESY谱图中经常有严重的t1噪声,可以通过脉冲梯度场相关选择和相位循环压制,得到改善的13C-1H的NOE相关谱图.

关键词： NMR 异核NOESY 预饱和腺苷酸灵敏度增强

基于紫磷增敏的即插即用式双通道光纤表面等离激元共振折射率计

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物理学报 2023年第21期72卷 53-66页

作者：井建迎刘琨吴张羿刘玥萌江俊峰徐天华晏伟铖熊艺扬战晓寒肖璐刘津畅刘铁根天津大学精密仪器与光电子工程学院天津 300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津 300072 天津大学光纤传感研究所天津 300072

光纤表面等离激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术可以直接感测传感器周围分子相互作用导致的传感器表面折射率变化,具有体积小、成本低、免标记、灵敏度高,易实现小型化、多参量、实时原位检测等优势.本文基于新型二维纳... 详细信息

光纤表面等离激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术可以直接感测传感器周围分子相互作用导致的传感器表面折射率变化,具有体积小、成本低、免标记、灵敏度高,易实现小型化、多参量、实时原位检测等优势.本文基于新型二维纳米材料紫磷并结合完备的制备与表征工艺首先构建了两种探针式光纤SPR折射率计,可实现对面/体结合折射率的高灵敏度、即插即用式检测.在1.33-1.34低折射率范围内,本文设计的光纤/紫磷/金层/样品层近场增强型SPR折射率计灵敏度和品质因数最高分别达到2335.64 nm/RIU和24.15 RIU-1,分别是单金层SPR折射率计的1.31倍和1.25倍;所设计的光纤/金层/紫磷/样品层近导波型SPR折射率计灵敏度和品质因数分别达到2802.06 nm/RIU和22.53 RIU-1,是单金层SPR折射率计的1.57倍和1.16倍.最后,将近场增强型SPR和近导波型SPR集成到一个光纤探针中,实现了双通道传感.本文开发的探针式双通道光纤SPR折射率计为生化领域中多类型蛋白检测、重金属离子检测等提供了一种新思路.

关键词：紫磷纳米片表面等离激元共振光纤折射率计灵敏度增强

来源：博看期刊评论

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非厄米光学系统中奇异点的传感应用

中国激光 2020年第3期47卷 1-11页

作者：张翔宇康明刘会刚刘海涛南开大学电子信息与光学工程学院微电子工程系天津300350 天津师范大学物理与材料科学学院天津300387 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所天津300350 天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室天津300350

奇异点是非厄米系统参数空间中至少两个本征值和相应本征态同时简并的点,奇异点附近的异常光学现象,尤其是本征频率分裂对极小微扰的敏感特性,在超灵敏光学传感中有重要应用。本文主要结合近几年国内外关于奇异点的研究,介绍了奇异点及... 详细信息

奇异点是非厄米系统参数空间中至少两个本征值和相应本征态同时简并的点,奇异点附近的异常光学现象,尤其是本征频率分裂对极小微扰的敏感特性,在超灵敏光学传感中有重要应用。本文主要结合近几年国内外关于奇异点的研究,介绍了奇异点及其在光学传感方面的相关理论,分析了奇异点传感和狄拉克点传感的不同;并着重总结奇异点传感在纳米颗粒检测、温度传感、折射率传感、光学陀螺仪和石墨烯生物化学传感等方面的最新研究进展。

关键词：光学器件奇异点非厄米系统光学传感灵敏度增强