微纳光纤-金膜-氟化镁结构的光纤SPR温度传感器研究

为了提高光纤表面等离子共振温度传感器检测的适用条件，减少传感器对待测传感参量折射率的限制，避免引入对温度敏感的低折射率媒介，本文中将具有大倏逝场的微纳光纤放置于蒸镀金属膜的氟化镁衬底上，得到光纤表面等离子共振温度传感器结构。结果表明：通过使用传输矩阵的理论模型计算该结构中光纤折射率和氟化镁折射率变化对透射率影响，结合光纤和氟化镁的热光系数，分别得到约118、35 pm/℃的温度灵敏度，在光纤折射率增大对透射谱产生蓝移和氟化镁折射率增大对透射谱产生红移的共同作用下，该传感结构综合得到约153 pm/℃的传感器灵敏度。通过计算明确金膜厚度、光纤直径和光纤-金膜接触区宽度等不同的结构参量对透射率的影响。     

基于高阶模干涉的双参量同时测量传感器的实验研究

提出一种单模-多模-单模(SMS)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的传感结构,利用了多模光纤内的高阶模干涉原理实现传感测量.本文采用了同长度芯径分别为50μm和60μm的多模光纤.实验结果显示,在SMS结构中,芯径50 μm和60μm的温度灵敏度分别为0.095nm/℃和0.127nm/℃,采用大芯径多模光纤略有提高SMS结构的温度灵敏度;折射率灵敏度分别为61.96nm/RIU和128.11nm/RIU,采用大芯径多模光纤大大提高了SMS结构的折射率灵敏度,该传感器能够用于温度和折射率的同时测量.     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

基于双折射基片的微纳光纤起偏器研究

给出了一种以双折射晶体为衬底,实现高消光比的微纳光纤起偏器的方法.利用双折射晶体为衬底,研究了在不同折射率和半径的微纳光纤中传播的光波的偏振特性.当采取的微纳光纤的折射率在双折射晶体的寻常光折射率和非寻常光主折射率之间,且光纤和晶体光轴夹角足够大时,可以实现在微纳光纤中起偏.改变微纳光纤半径以及光纤和双折射晶体光轴之间的夹角可以对消光比进行调控,半径越小,消光比越大;角度越大,消光比越大.对于半径为2.1μm微纳光纤,最大的消光比为22.74dB.     

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。     

基于光子晶体微腔和光纤环形衰荡的微力传感器

提出一种基于光子晶体微腔的高灵敏度的微力测量方法.首先,提出一种M型结构的梁作为传感探头,使系统在受到微力作用时,仅有光子晶体微腔的空气孔折射率发生变化而引起谐振波长的漂移,极大地提高了传感器的线性度和测量范围.然后,对微纳环结构的光子晶体微腔结构进行优化设计,获得了品质因子高达7100的微腔.最后,选择合适的实验器件及其特性参数,搭建基于光纤环形衰荡的波长解调系统,实验结果表明该系统的波长解调灵敏度为90μs/nm,所设计的微力测量系统的灵敏度可达194.616μs/μN.     

湿腐蚀法制备U形塑料光纤折射率传感器

为提升折射率测量灵敏度、方便测量,通过湿腐蚀法制备了高灵敏度的U形塑料光纤折射率传感器.从理论上分析了多模塑料光纤宏弯曲折射率传感器的原理,利用射线法对塑料光纤中传输光场进行近似,获得多模塑料光纤宏弯曲模式损耗的表达式.采用丙酮和甲醇混合溶液作为腐蚀剂,利用湿腐蚀法对塑料光纤进行处理,观察不同腐蚀剂浓度腐蚀后光纤表面形貌,得到最佳腐蚀剂浓度为丙酮浓度80％.采用热定型法对腐蚀后的光纤进行宏弯曲处理,通过改变光纤芯径及弯曲半径优化传感器性能.利用655 nm红光激光器作为光源对其灵敏度进行测试,在1.30 ～1.45的较大折射率范围内,得到最佳灵敏度为618％/RIU(RIU为折射率单位).实验结果证明,通过宏弯曲处理可以使传感器灵敏度得到提升,并且U形探头使测量更加方便,可以广泛应用于折射率传感领域.     

D形光纤样品制备及其Bragg光栅的实验测量

采用研磨预制棒的方法,制备了D形光纤样品,并在此样品上制作了Bragg光栅,介绍了工艺制作和测量中的一些实际经验.采用深度化学腐蚀技术以增强Bragg波长对外界折射率的传感灵敏度,测量了D形少模光纤Bragg光栅各模式谐振波长随外界折射率和温度的变化曲线,为进一步进行折射率传感研究打下了实验基础.     

多芯光纤端面上对称耦合双环微腔气体传感特性研究

光纤传感具有耐高温、抗腐蚀、无需供电、灵敏度高和可集成等优点,在光纤端面上设计制备微纳传感结构是实现探针式光纤传感器的重要途径.本文以七芯光纤端面作为平台,在其上设计了微纳波导对称耦合的双环微腔光学系统.环形微腔与微纳波导间隔一定距离,实现倏逝波耦合,波导中的光耦合进入腔内激发其高品质因子回音壁共振.当外界气体刺激改变...     

第4届纳米光纤及应用国际学术研讨会

正第4届纳米光纤及应用国际学术研讨会(ONNA2016)经过组委会一年多的积极准备于2016年10月23~26日在浙江大学召开。此次会议的主题为"纳米光纤在量子光学、微纳光子学及光学传感等领域的应用"。作为光纤光学与纳米技术的完美结合,微纳光纤是近年来发展起来的光纤光学及微纳光子学等领域的前沿研究方向之一。与传统光纤相比,微纳光纤的直径通常接近或小于传输的光波长,而且纤芯包     

基于微结构光纤的新型功能器件、异质兼容结构与光电子集成2013年度进展报告

该年度的主要研究内容和预期目标,开展了大量的理论和实验研究工作,该报告中包含的主要研究成果如下:(1)研究了一种简化空芯微结构光纤的传导机制和模式特性,揭示了其传导机理。将荧光(激光)染料填充并复合到了空芯光纤的中心孔中,并结合光纤侧面探测技术提出了一种高灵敏度的、空间分辨的荧光探测技术,实现的浓度探测极限达1p M,较传统方法提高一个数量级以上,为目前报道的光纤基同类技术中的最好值。成果详见Applied Physics Letters 102,011136(2013)。(2)理论分析了选择性填充不同折射率的高折射率功能材料以及不同的选择性填充结构的微结构光纤的模式耦合特性及模式双折射特性,揭示了纤芯模式与高折射率柱模式的耦合特性对光纤双折射特性的调控,实现了具有独特双折射特性的微结构光纤。实现了不同选择性填充结构的高折射率功能材料填充的微结构光纤,实验研究了其Sagnac干涉仪传输光谱和传感特性,揭示了具有不同群双折射特性的微结构光纤Sagnac干涉仪不同的光谱和传感特性,以及传感灵敏度对波长和温度的强烈依赖性,实现了在56.5°C时高达-45.8 nm/°C(112,531 nm/RIU)的温度(折射率)灵敏度,以及19.6 nm/N轴向拉力灵敏度。     

新型光子晶体光纤传感器的基础研究

光子晶体光纤因其独特的光学特性、结构可灵活设计的优点以及对空气孔中填充的材料参量变化敏感的特点而成为近几年来传感领域的研究热点。该课题对填充金属纳米材料、气体、液体等材料的光子晶体光纤的光谱特性、温度传感特性及光子晶体光纤光栅的成栅机理进行了深入的研究,得到了一些很有价值的结论,为基于PCF的传感器的实现与应用及进一步拓宽光纤的原有领域奠定了良好的基础。(1)设计了一种有源PCF-SPR传感器,其特点是将有源内腔检测技术与表面等离子共振相结合,利用一根包层气孔充入金属纳米线溶液纤芯掺杂激活介质的光子晶体光纤实现探测激光产生、信息传感及光信号传输集一体的有源传感,并且由于纤芯的折射率可达到1.58,从而也拓宽了PCF-SPR传感器的探测范围。(2)针对在PCF气孔镀金属纳米膜的工艺较难的情况,实验上采用填充Ag纳米线悬浮液的方法实现了PCF-SPR温度传感,实验结果与仿真结果变化趋势一致,此方案可保持PCF用于表面等离子共振传感器的某些优点又简化了工艺操作。(3)设计了一种聚合物光子晶体光纤用于表面等离子共振传感器,这种光纤采用聚甲基丙烯酸甲酯制作,金属膜只需镀在光纤的外部,方便操作。仿真模拟结果表明,聚合物PCF半径、中心空气孔数量及空气孔的直径对波长灵敏度的影响很小,这样降低了对PCF制作的精密度的要求,有利于PCF的实际制作。(4)研究了一种基于混合液体填充的反射式光子晶体光纤温度传感探头,这种结构使得传感部分可以方便的伸入待测环境,相对于透射式传感装置而言,该种反射装置具有更为灵活实用的优点。实验结果表明,该种光子晶体光纤温度传感器可以在特定温度范围内呈现线性响应,其温度灵敏度约为1 d B/°C。此外,根据不同的溶液配比,该种传感器呈现可调谐的温度灵敏区间。(5)对由光子晶体光纤光栅组成的新型生物传感器特性进行了研究,重点对光纤结构参数(空气孔直径和孔间距)、光栅参数(光栅周期和周期个数)、塌缩程度和塌缩方式对谐振波长的影响进行了分析,研究结果表明,随着空气孔直径的增大、孔间距的减小、光栅周期的增大和塌缩程度的减小,其谐振波长向短波方向发生漂移,随着周期个数的增大,其谐振波长未发生明显漂移。     

塑料光栅生物传感器的传感特性分析

采用塑料矩形光栅作为生物传感器,将生物分子介质置于光栅凹槽内,通过测量光栅衍射效率进行传感测量.给出塑料光栅生物传感器的厚度法和折射率法传感特性公式,并通过建立测量实验装置进行葡萄糖溶液浓度的测量.结果表明:传感器具有很好的线性响应,且厚度法比折射率法具有更高的灵敏度,前者测量灵敏度优于100 μg·dL^-1.     

磁流体的折射率可调谐特性分析

从理论上分析出温度和磁场是影响磁流体折射率的两大因素,并根据菲涅尔反射原理设计具有独立传感探头的磁流体折射率特性测量方案,实验得出温度和磁场对磁流体折射率的影响特性.结果表明:对于浓度一定的磁流体,在零磁场作用下,折射率随着温度的升高线性下降,灵敏度为-802×10-5℃-1;温度恒定时,在外加平行磁场作用下,磁流体的折射率随着磁场强度的增大而增大,且结果具有良好的一致性.得到的磁流体的可调谐折射率特性为磁流体填充到光子晶体光纤(光栅)中实现磁场和温度传感提供了理论基础.     

D型光纤传感器的飞秒激光加工方法

基于飞秒激光加工系统中二维CCD观测定位的轮廓线方法加工D型光纤,研究离焦量对飞秒激光轮廓线加工质量的影响。研究结果表明:随着聚焦光斑焦平面从光纤的近物镜端逐渐深入光纤,D型光纤加工面沿光传播方向的轮廓倾斜度会变得越来越大。飞秒激光加工方法能够保证加工的一致性。加工的D型光纤有效长度为200μm,从包层顶端到加工面的加工深度为56.4μm,原子力显微镜测得纤芯附近加工表面粗糙度为129 nm。将加工好的D型光纤用于折射率为1.36~1.42的液体传感,测得其传输损耗随折射率线性增大,此D型光纤传感器的单位折射率的传感灵敏度为37 d B。本文的加工方法在提高效率的同时,能够保证D型光纤的加工精度及传感灵敏度。     

基于熔锥光纤耦合器的溶液浓度传感器

利用2×2熔锥型光纤耦合器,提出一种检测溶液浓度的新方法.首先,根据熔融光纤拉伸锥形曲线和超模耦合器理论,分析计算出熔锥型光纤耦合器输出分光可见度与其耦合锥区外部介质折射率的关系曲线;然后,实验上将2×2单模光纤耦合器浸入一种溶液中,当光经过熔锥耦合区后,其耦合分光可见度将随锥区外部的溶液浓度（折射率）而变化.由此,可实现对溶液浓度的检测.理论计算和实验结果有较好的一致性.     

基于波片棱镜组合能量调节的切趾光纤光栅

为提高飞秒激光制备高反射率 FBG(Fiber Bragg Grating)的边模抑制比, 提出了一种基于组合二分之一波片和格兰棱镜调节激光能量的加工方法, 制备出了高反射率和高边模抑制比的切趾光纤光栅。 通过上位机输入切趾函数模型, 实时精确调节步进电机速度, 机械旋转二分之一波片位置, 实现激光能量沿光纤方向呈切趾函数分布, 从而在光纤纤芯中折射率调制区域呈切趾函数分布, 获得参数可调的切趾光纤光栅。 实验表明,该方法制备的切趾光栅在 1 550 nm 处反射率可达 70% , 边模抑制比超过 20 dB, 半高峰宽度 0. 35 nm。 对其温度和应力传感特性研究显示, 其温度灵敏度为 1. 529*10^-2nm/ K, 应力灵敏度为 1. 61 nm/ N。 该种方法制备的高反射率切趾光纤光栅有望应用于大功率、 窄线宽的光纤激光器以及高速精确传感解调系统中。     

基于石墨烯和模间干涉的光纤气体传感器

为了实现对空气中有毒、有害气体进行精确监测预报,提出了一种石墨烯包裹的拉锥与错位级联型光纤气体传感器.包裹在光纤锥形传感区域的单层石墨烯和错位熔接的光纤导致的模间干涉,会使沿光纤表面传输的倏逝场得到大幅增强,提高了对折射率的灵敏度,其灵敏度可以达到1.2×10⁴nm.随着石墨烯表面吸附的气体分子量的增加,复合波导的有效折射率会发生规律性的变化,从而引起干涉波长的衰减和移动,进而通过检测输出光信号的变化而实现气体分子浓度的检测.研究表明,该传感结构具有体积小、机械强度好、光谱品质好、灵敏度高等优点.     

等离激元/介质微纳结构与光的互作用及其传感应用

微纳米尺度物质与光的相互作用研究对于光电转换、生物传感等领域的发展具有重要的科学意义.基于等离激元效应和介质光耦合机理增强光和物质相互作用的微纳光学研究涌现出众多优秀科研成果,在分子传感领域更是展现出巨大的应用潜力.本文重点围绕本课题组近年来在等离激元/介质微纳结构与光的互作用方面的相关理论与实验研究展开回顾分析,揭示了采用不同电磁机制增强光与微观物质相互作用的物理内涵,论述了微纳结构光学设计的新思路和新方法,阐明了在微纳光学分子传感应用上的科研思想和探索成果.最后,展望了微纳光传感的研究发展方向和实际应用前景.     

长耦合区光纤熔锥型温度传感器

全光纤温度传感器是超高电压下测量温度的急需器件.用增长光纤耦合区长度的方法使得对温度不很敏感的光纤熔锥型耦合器其分束比对温度变得比较敏感,从而达到对温度传感的目的,由于没有附加敏感材料,其长期重复性和可靠性较好.对不同拉锥长度的耦合器在温度的敏感性和线性度等方面进行了研究,目前实验样品在－40～90℃范围内,输出分光可见度已达到0.7%/℃,并有较好的线性度和重复性.