一种可见光波段气体传感器的设计与研究

为了设计一种性能优越的气体传感结构,提出一种亚波长介质光栅/电介质/金属衬底混合波导结构,基于导模共振效应,在反射光谱中形成4个窄带共振缺陷峰。选用多孔硅作为波导层,基于多孔硅的折射率可调特性,通过观察共振波长的漂移实现样本气体浓度的动态监测,分析结构的传感特性。结果表明,3个窄带共振峰的灵敏度分别为300,350,400 nm/RIU,品质因数分别可以达到120,152.2,307.7/RIU,检测精度高,皆可用于气体传感。     

改变光栅及其衬底厚度对导模共振传感的影响

采用严格耦合波法与时域有限差分法数值模拟仿真相结合的办法,对由亚波长光栅及其衬底厚度变化影响的导模共振传感进行了研究。其结果表明:1、在优化光栅膜厚的基础上,通过改变光栅衬底厚度来调节导模共振的产生位置处于由于该膜厚变化产生的背景反射极小位置处时,可使导模共振峰的旁带抑制比提高,从而提高该光栅传感器的分辨率;2、在对高折射率样品进行检测时,该光栅传感器的分辨率、灵敏度均较折射率低样品好,但由于高折射率样品导致导模共振场的局域性增强,从而导致获得的反射率降低。     

高频CO2激光脉冲写入的掺硼长周期光纤光栅温度应变特性

高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅(LPFG)对温度比较敏感、应变不敏感,通常应用在温度传感器做温度测量.普通长周期光纤光栅温度灵敏度只有0.052 nm·℃-1,而用掺硼光纤制作的长周期光纤光栅温度灵敏度达到0.171 nm·℃-1,比普通长周期光纤光栅更加灵敏.因而应用在温度传感提高了传感器的灵敏度以及测温精度...     

光纤光栅温度传感器在地源热泵中应用

地源热泵应用地下土壤的地热资源,为建筑冬季供暖和夏季制冷．为了实时监测地源热泵工作过程中垂直盘管换热器周围土壤温度的变化,应用3个自行研制的光纤光栅温度传感器。组成分布式光纤光栅温度监测系统对其进行监测．3个光纤光栅温度传感器分别安置在25m垂直盘管的5、15和25m处．垂直盘管安装完后,应用FBG波长解调系统采集数据．采用双层钢管封装的光纤光栅温度传感器,有效消除了应变对光纤光栅的影响,同时也提高了光纤光栅的温度灵敏度．该光纤光栅温度传感系统对地源热泵长期工作状态进行了监测,监测结果与理论计算结果符合很好．     

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。     

基于黑磷的多共振折射率传感器研究

为解决传统等离子光学传感器的局限性,提出了一种基于黑磷（BP）的多共振非等离子体的光学传感器,该传感器采用单层黑磷和简单的介质结构,通过磁共振增强红外波吸收。由于黑磷的各向异性,该传感器可以在不同晶体方向上实现不同的灵敏度和品质因数（FOM）。通过优化传感结构,在8 μm波长附近的不同黑磷晶体方向上均得到了2个极窄的共振峰、极低的半高宽,提高了传感器的灵敏度,吸收率最高达到了99.6%,灵敏度最高可达180 nm/RIU,FOM可以达到 261 nm/RIU。并利用耦合模理论对仿真结果进行了验证,揭示了其物理机理,证实了该传感结构在未来的光学传感领域有巨大的潜力。     

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。     

布拉格光纤光栅动态温度传感滞后性的研究

温度是影响布拉格光纤光栅参数重要特性之一,在应用温度传感器时往往会忽视动态温度传感的滞后性,设计实验观察降温过程中温度响应的滞后性.从理论分析了光纤光栅为什么会产生滞后效应以及解决方法.     

介质阵列加载的表面等离子共振传感器基底研究

单个介质纳米颗粒的散射效应表明介质散射共振和金属局域表面等离子共振具有类似的局域电场增强特性,但却避免了金属的强光吸收损耗。利用这种共振效应,提出一种介质硅阵列加载的表面等离子共振传感基底结构。数值模拟显示,通过调控基底结构参数,与金属银阵列相比,介质硅阵列的共振耦合效应更强,近场增强更明显,对应的反射谱共振谷曲线也更加尖锐。相同环境下的传感性能指标计算表明,介质硅阵列基底具有更好的灵敏度和品质因子,因此基于散射共振的介质阵列加载基底结构是提高表面等离子共振传感灵敏度的一种有效方法。     

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。     

基于均匀光纤光栅F-P腔温度传感器的设计

论述了均匀长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅的反射特性,提出用均匀长周期和布拉格光纤光栅形成F-P腔,给出了F-P腔的反射率公式,用Matable计算了F-P腔中心反射波长随温度的变化,并用实验进行了测量．设计出用均匀光纤光栅F-P腔作为传感元件的温度传感器系统,并对温度变化进行了测量．结果表明,均匀光纤光栅F-P腔的中心反射波长与温度具有良好的线性关系,传感器系统的温度测量误差在±0．4℃以内．     

电气设备用光纤光栅温度在线监测系统

温度在线监测对电气设备的稳定、安全运行具有非常重要的意义。本文介绍基于光纤光栅温度传感技术的电气设备在线监测系统,详细描述了系统中光纤光栅温度传感器,多通道型光纤光栅波长解调仪表以及上位机监测平台。该系统在35kV高压开关柜内对触点温度进行现场测试,获得了良好的试验结果。     

基于亚波长金属耦合腔光栅的太赫兹传感器

提出一种亚波长金属耦合腔光栅结构的太赫兹传感器。采用亚波长矩形腔结构单元,设计了谐振腔级联耦合的金属亚波长光栅。利用谐振腔与光栅导模共振的相干耦合作用,产生高品质因数的类电磁诱导透明模,形成腔诱导太赫兹波异常反射现象。异常反射模表现出显著的局域场共振增强效应,大大提升太赫兹波对分析物的感测能力。数值仿真表明,太赫兹波正入射的传感灵敏度可达到6-22THz/RIU,品质优值可高达55-152,同时具有宽达50°工作角的太赫兹感测能力,可适应大孔径角太赫兹波束的传感操作。     

倾斜光纤光栅透射光谱对外界介质折射率的响应规律研究

倾斜光纤光栅因其独特的结构在传感和通信领域应用前景广阔。基于模式耦合理论,仿真研究介质折射率对倾斜光纤光栅透射功率谱的影响及其变化规律。研究结果表明,当介质折射率在1.35至1.4之间变化时,本文设计的倾斜光纤光栅透射功率谱包层谐振峰位置随外界介质折射率的增大而逐渐向长波长方向移动,波长偏移量与外界介质折射率之间呈良好的线性关系,利用这个结论可进行介质折射率的测量。     

电力电缆光纤光栅实时在线测温传感器优化设计

开发高压超高压电力电缆光纤光栅温度传感器系统,提出光纤光栅传感机理,建立优化设计框架.通过光纤光栅温度传感器封装结构优化设计,提出片式封装结构;通过线性度优化设计,提出用铝板作为封装基底材料;通过外界应力场影响补偿优化设计,提出采用40 mm× 10 mm(长×宽)的小尺寸封装方法.进行光纤光栅温度传感器水域实验和光纤光栅测温系统对比实验,讨论系统的性能和可行性.并将光纤光栅温度实时在线监控系统应用于实际工程项目,分辨率达0.1℃,精确度达±0.5℃,测温范围可达-30～200℃.     

具有温度补偿的光纤光栅压力传感器

为了实现高压测量时的温度交叉敏感问题,提出一种基于自由弹性变形体的光纤光栅压力传感器结构及光纤光栅传感信号的自解调方法。与传统光纤光栅传感器中传感单元与解调单元相互分离的结构不同,该文提出的光纤光栅压力传感器系统利用一对匹配的光纤光栅和一个简单的等腰三角形悬臂梁结构,实现了传感解调的合而为一,解决了光纤光栅传感器的交叉敏感和信号啁啾的问题。仿真与初步的试验结果表明,在高达100M Pa的压力范围内,测量灵敏度为8.5 pm/M Pa。     

π相移光纤布拉格光栅的应变传感特性研究

研究了基于π相移光纤布拉格光栅(π-PSFBG)的高精度应变传感特性,利用OptiGrating软件仿真计算出π-PSFBG的关键应变传感参数,给出了相应的应变传感特性方程.在应变测量范围0～2100με内,验证了应变、反射率等关键参数与π-PSFBG中心波长之间的数值关系,得出π-PSFBG的应变灵敏度为1.218 pm·(με)~(-1).     

亚波长双光栅共振光谱与角谱展宽特征研究

提出了一种亚波长双光栅结构,并用涂布及全息干涉光刻的方法制作了该结构,检验了其共振光谱的特征.分析了亚波长光栅的共振光谱和角谱的带宽展宽、线形改善的原理,用数值模拟的方式研究了双光栅和亚波长光栅的共振光谱和角谱的带宽展宽、线形改良的规律.研究表明:双光栅是性能较好的防伪光栅微结构,可以展宽亚波长光栅的共振光谱、角谱的带宽并能改善光谱线形,获得更佳的彩色光变效果.     

亚波长光栅的可见光共振特性研究

研究亚波长光栅的可见光共振特性. 分析了光栅共振的基本原理. 基于严格矢量衍射理论给出了不同光栅参量(如光栅周期、填充因数、光栅深度、光栅材料等)的优化设计图,定量得出了各参量控制光栅共振特性(共振波长和半峰全宽)的一般规律,共振波长与光栅周期成比例. 共振半峰全宽值主要依赖于光栅调制系数和波导光栅对导模的限制程度,填充因数和光栅深度也对其有一定的影响,为新型防伪光栅设备的开发提供了理论依据.     

单布拉格光栅光纤压力温度双参量传感器的研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器采用普通悬臂梁对非温度物理量进行测量时,存在温度交叉敏感的问题.针对该问题,提出一种基于双厚度等腰三角形的双参量传感器悬臂梁结构,通过理论分析与仿真验证了该结构的可行性,并将单FBG光栅放置于该结构厚度变化交界位置构成双光栅传感.通过光纤传感理论推导和实验系统验证了温度、压力与FBG反射光谱的双波峰共模函数值、双波峰波长差之间的关系.实验结果表明该结构可以实现压力和温度的同时测量,通过双厚度等腰三角形悬臂梁传感结构可有效解决温度交叉敏感问题.