光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器研究进展

光纤微腔传感器因本质安全、体积小、成本低、抗电磁干扰等优点,在光纤传感领域中获得了广泛关注.针对光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器可测参量多并可实现多参量同时测量的特点,重点介绍了光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器技术的研究进展,包括对温度、压力、液体折射率、氢气质量分数、有机挥发物质量分数等参量的测量,详细介绍了传感器的制作方法、传感原理和实验结果.     

拉锥光纤传感技术

拉锥光纤传感技术作为一种新兴的传感技术,在电力、石油化工、生化、航空航天、环保、国防等领域有着重要的应用价值并逐渐成为当前国际上的研究热点之一.与普通光纤相比,拉锥光纤的模场直径为微米或纳米量级,极大地增强了光在光纤中传输时的倏逝场,从而显著提高此类光纤传感器的灵敏度及响应速度,缩小了光纤传感器的尺寸,使其在传感应用中更具优势.该文分析并讨论了拉锥光纤传感器的理论基础、关键技术及相关应用.主要内容包括:1)阐述了微米光纤耦合传感器的原理、制备工艺及折射率和温度传感特性.2)讨论了单模-多模-单模及单模-拉锥多模-单模光纤结构的传感原理并实现了一种基于单模-拉锥多模-单模的高灵敏度折射率传感器.3)为拓展拉锥光纤传感器的应用范围并提高其空间分辨率,发展了一种半拉锥光纤传感器微探头.4)介绍了拉锥光纤在光通信及微操纵等方面的应用.     

面向应用的光纤氢气传感技术

光纤类氢气传感器因基于光学原理,具有本质安全和无电磁干扰的特性,成为氢气传感器研究的热点,在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求.依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述了微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)型等4种不同光纤类氢气传感器的原理和研究进展.详述了近几年在光纤类氢气传感领域的工作,包括应用于高浓度氢气监测的钯合金型光纤氢气传感器、应用于中低浓度氢气报警的掺铂三氧化钨型光纤氢气传感器、应用于超低浓度痕量监测的三氧化钨-钯-铂纳米复合薄膜型光纤氢气传感器.对比3种技术方案的研究现状,分析需要解决的问题并对应用前景进行了展望.     

微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究

基于光纤结构的表面等离子激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光纤SPR传感器的理论,介绍了本课题组在该领域的研究进展,包括利用光纤和毛细管SPR传感器、图像式光纤SPR传感器、多通道光纤阵列SPR传感器、自补偿SPR传感器、智能手机SPR传感器及啁啾倾斜光纤光栅SPR传感器等,总结了基于光纤微结构的SPR传感器的研究现状,分析了需要解决的问题,并对未来的发展趋势.     

光纤气泡微腔传感技术

基于光纤气泡微腔的干涉仪在光纤传感领域中已经获得广泛关注.结合最新研究进展,给出了一种电弧放电法制备光纤气泡微腔的新技术,该技术仅利用商用光纤熔接机且无需辅助设备.系统研究了基于光纤气泡微腔的法布里-珀罗干涉仪的工作原理、制备方法及传感应用,实现了基于矩形气泡微腔的光学回音壁模式谐振器,进一步完成了腔模式的应变调谐.     

少模光纤长周期光栅——从模式转换到高灵敏度光纤传感

少模光纤长周期光栅具有波长选择性好、插入损耗低、结构灵活多变、集成度高、与光纤系统兼容等优点,是实现少模光纤中模式转换、涡旋模式调控的有效手段,在光纤通信和光纤传感领域都展现了巨大的应用价值.该文介绍了少模光纤长周期光栅在模式转换和光纤传感方面的研究进展,首先介绍了少模光纤长周期光栅的制备技术、模式耦合原理,重点介绍了少模光纤长周期光栅模式转换器,包括标准长周期光栅和螺旋长周期光栅,最后详述了基于少模光纤长周期光栅的光纤传感器的工作原理和实现方法.     

基于微结构光纤的温度传感器研究

对基于模间Mach-Zehnder干涉式、Michelson干涉、F-P干涉和荧光等原理的微结构光纤温度传感器开展了较为系统和深入的研究，建立了相关理论，研制出了一系列新型光纤温度传感器及其功能器件.展示了一种新型的多参量荧光光纤有源温度传感器，并建立一种新的信号处理方法；利用液体填充微结构光纤制作出的在线式、全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器，敏感度达–1.83 nm/℃；利用全固态光子带隙光纤内的高阶导模来制作结构紧凑的Michelson高温传感器，传感头尺寸仅为1.03 mm；基于柚子型小纤芯微结构光纤制作了微腔F-P高温传感器，温度的灵敏度为17.7 pm/℃，测量温度达1 000℃.     

基于传统光纤的涡旋光复用通信研究进展

大数据时代的飞速发展给光通信系统带来了巨大的压力和挑战，高速大容量光通信成为发展的必然趋势.随着光波传统物理维度资源的开发利用趋于极限，基于横向空间维度的涡旋模式复用技术在提升传输容量方面备受瞩目.除了各种特殊设计的环形结构光纤外，广泛铺设的传统光纤也能够支撑涡旋模式复用通信.该文回顾了传统光纤中涡旋光复用通信的研究进展，首先介绍了光纤中不同模式基的特征和用于传统光纤模分复用传输的性能，其次重点介绍了传统单模光纤和多模光纤中支持涡旋模式的特性，随后详述了基于传统多模光纤的涡旋光复用通信以及利用其他模式基复用通信的研究进展，最后进行了展望和总结.     

蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展

蓝宝石衍生光纤(sapphire-derived fiber,SDF)具有机械强度良好、耐高温等性能,在高温传感、分布式应力传感等方面有广阔应用前景.该文首先简要介绍了蓝宝石衍生光纤的基本特性,然后结合该课题组近几年在该方向的研究进展,对基于蓝宝石衍生光纤的布拉格光栅、法布里-珀罗腔、长周期光栅和马赫-曾德尔干涉仪进行重点讨论,分析了基于蓝宝石衍生光纤传感器的工作原理和实现方法.     

前言

正本专辑系上一期"光纤传感技术专辑(1)"的继续。本专辑共发表8篇综述长文,其中4篇分别为氢气传感器、分布式光纤声波传感技术、光纤受激布里渊散射、蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展,另4篇属"光纤上的实验室"(lab-on-fiber),具体内容如下:光纤类氢气传感器是光纤传感器研究热点之一。在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求。《面向应用的光纤氢气传感技术》一文依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉     

悬挂芯光子微单元-灵活高效的光纤内嵌实验室

介绍一类在商用光子晶体光纤基础上制备的悬挂芯光子微单元.该微单元能通过较简单的选择性膨胀技术实现具有大倏逝场、高双折射、多芯等功能的多种悬挂芯结构,并能与单模光纤连接形成低损耗光纤在线单元.微单元内部基于倏逝场的光与物质相互作用区域与外部环境隔离,整体易于操作,是适用于光纤实验室研究的灵活平台.分析了几种典型悬挂芯光子微单元的消逝场、损耗、双折射等特性;利用微单元的一些特性开展应用研究,包括基于折射率探测原理的微单元气体压力和液体温度传感器、基于微单元纤芯微悬臂梁的加速度传感器、微单元光栅器件等.这些研究为推进光纤实验室技术的发展和应用提供了新思路.     

基于开腔式马赫-曾德尔光纤干涉仪的高灵敏溶液浓度传感器

溶液浓度是表征溶液特性的关键参数之一，当监测和控制溶液浓度特性时，需要实时分析监测某些溶液的浓度。光纤传感器由于具有灵敏度高、结构小巧紧凑、响应速度快、抗电磁干扰及远距离实时检测等优点，广泛用于各种物理、化学以及生物测量传感。为了实现高灵敏的溶液浓度测量，通过大错位熔接技术将三段单模光纤制备成开腔式马赫-曾德尔(Mach-Zehndel, M-Z)光纤干涉仪，通过监测干涉条纹某一损耗峰的波长漂移，实现了溶液溶度高灵敏度的检测。实验结果表明，该开腔式光纤干涉型溶液浓度传感器结构小巧、可重复性高、灵敏度高，灵敏度为-25.27 nm/%。     

波长编码型光纤传感器高精度解调技术研究进展

介绍了波长编码型光纤传感器高精度解调技术的最新研究进展,所涉及的解调技术能够实现对波长编码型光纤传感单元阵列的亚纳应变级分辨率的测量能力.首先回顾了光纤光栅应变传感技术,分析了高精度光纤应变传感器所选用的敏感元件;然后介绍了前馈式扫频激光线宽压缩技术和闭环轮询式探测技术,详述其理论原理、实现方案、性能指标;最后介绍了基于上述技术实现的高精度光纤应变传感系统实现地壳形变观测的应用实例,为各类高性能光纤传感器的研究与应用提供参考.     

用于结构整体与局部健康监测的光纤超声传感器

本文提出并展示了两种光纤超声传感系统,一种是基于菲索干涉仪的结构,另一种是类萨格奈克干涉仪的结构.当系统中光纤传感器采用长跨度光纤时,可实现结构整体内部是否有微裂纹所导致超声发射的情况监测.系统中的光纤传感器部分也可以选用一段短光纤或绕成一个光纤环,从而实现单点的局部探测.文中分析了作为传感的光纤与超声的相互作用.实验上,将1 m长的光纤作为一段直线传感器和绕成光纤环形点传感器分别埋入混凝土试件中,进行了10、25和50 kH超声测量实验.结果表明,这两种光纤传感器均具无损检测的应用潜力.尤其是长尺度光纤传感器更适合于监测大尺度混凝土建筑结构的由于内部微裂纹的发生及其发展情况,对于评估结构的健康状况具有十分重要的意义.     

多模光纤散斑场中的干涉及应用

阐述了多模光纤干涉仪的干涉机制和理论计算方法:井介绍其实验结果和应用实例。     

基于强度调制的光纤激光折射率传感器

提出了一种基于光纤布喇格光栅与多模凹锥光纤级联结构的低探测极限光纤激光折射率传感器。采用光纤环形激光器内腔调制技术,获得了稳定、高边模抑制比和窄半峰全宽的激光信号,量化研究了有源结构下凹锥直径与液体折射率变化间响应关系。当凹锥直径为30.53μm时,最大折射率灵敏度可达-128.636 dB/RIU。考虑3σ噪声条件,实际探测极限可达8.49×10^-4 RIU。该传感器具有输出稳定和低温度串扰的优点,在生化传感和环境监测等方面具有潜在的应用前景。     

一种涂覆水凝胶的模间干涉型光纤pH传感器

为了实现pH值测量的微型化和智能化,提出了一种涂覆水凝胶的模间干涉型光纤pH传感器,满足了对光纤pH传感器结构紧凑、灵敏度高、稳定性好的需求。模间干涉型光纤干涉仪采用标准单模光纤错位熔接制得,对干涉仪进行拉锥提高其对外界折射率的响应灵敏度。将水凝胶涂覆在拉锥后的光纤干涉仪表面,当传感器周围pH值变化时,会引起感应区折射率的变化进而引起传输光谱发生变化,通过测量干涉仪光谱的漂移即可得到对应溶液的pH值。实验结果表明,传感器拉锥8 000μm后在pH值为1.88～7.61的测量灵敏度为0.76 nm/pH,线性相关系数为0.994。所提出的传感器pH值测量范围广、灵敏度高且成本较低,在pH值检测中具有广阔的应用前景。     

微型光纤线上/线内实验室

光纤器件及光纤传感器因重量轻、体积小、不受电磁干扰及遥感能力强等特性而得到了迅速发展.各种类型的光纤结构不断涌现,对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键.该文讨论光栅、微孔结构及微孔结构长周期光栅、单光纤MZI干涉仪、单光纤FP干涉仪、选择性填充光子晶体光纤器件、微纳光纤器件、微结构集成的实验研究及应用,探讨其作为光纤线上/线内实验室的潜力.     

光纤法珀传感解调方法研究进展

光纤法珀传感器是目前发展历史最长、应用最普遍、技术最成熟的一种光纤传感器,广泛应用于各类极端复杂的环境中,对其传感信息进行准确解调是实现高精度测量的关键.首先对光纤法珀传感技术的发展历程进行了回顾和评述,接着介绍了光纤法珀传感器的类型和基本传感原理,对光纤法珀传感器解调方法的研究进展进行了阐述,从强度解调和相位解调两方...     

分布式光纤声波传感技术研究进展

分布式光纤声波传感技术可以实现动态应变的长距离、分布式、实时定量检测,在重要场所和重大基础设施的安防监测、大型结构的健康监测、油气资源勘探等领域有广阔的应用前景.该文在对分布式光纤声波传感技术的发展历程和研究进展进行回顾和评述的基础上,重点介绍其课题组在基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤声波传感技术取得的研究进展,包括信号的高保真获取、参数指标提升和工程应用研究3个方面.