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.     

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.     

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.     

表面芯光纤器件实验室

由于光纤端面尺寸小且可以长距离传输,功能单元和功能材料易于微纳尺度纤内集成,因而更适合发展集成器件.Lab-on-fiber集成器件已成为纤维集成光学的研究热点.该文详细介绍了两种具有较强倏逝场的表面芯光纤(外表面和内表面),重点研究表面芯光纤光学特性及基于表面芯光纤的器件传感应用.该类器件制备简单,在生物化学传感领域有重要应用.     

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.     

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.     

非平衡全光纤干涉仪臂长差测量方法的研究

简要分析了非平衡光纤马赫曾德干涉仪的工作原理,指出了输出干涉谱与臂长差间的联系,并用实验验证了这种关系,实测结果与预期值一致。系统测量精度20μm。该技术将有利于研制既有理想的传感分辨率,又有较高对比度的用于光纤光栅传感解调的全光纤扫描干涉仪。     

毛细管光纤传感器研究进展

石英毛细管由于在材料方面与光纤具有天然一致性,被广泛应用于各种结构和功能的光纤传感器中.首先给出光纤和毛细管的模式特性和熔接工艺,在此基础上介绍干涉型毛细管光纤传感器的研究进展,包括法布里-珀罗型、多模干涉型、反谐振型3种形式.接着介绍微腔结合的毛细管光纤传感器研究进展,包括多模光纤-微球腔和锥形内壁毛细管微腔.毛细管具有中空结构且其圆柱结构能够支持回音壁模式.最后介绍毛细管光纤传感器的最新研究进展.     

前言

<正>光纤传感技术经过几十年的学术研究与技术发展,近几年来形成了加速发展的趋势。这是由于一方面,光纤传感技术已经在若干个实际应用场景中获得的大量应用;另一方面,微纳技术、材料技术、生物技术的发展和交叉应用也为光纤传感技术提供了许多制备、加工以及感测的新方法和新途径。我国多年来经济的快速发展,不仅为光纤传感技术的实际应用提供了广阔的     

基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。同时还介绍了基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。     

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℃.     

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.     

分布式光纤传感技术综述

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,传感光纤集传感与传输于一体,可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息,单根光纤上能获得多达数万点的传感信息.本文介绍了分布式光纤传感技术的国内外进展,重点阐述了基于瑞利后向散射和干涉式的分布式传感各自...     

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.     

倾斜光纤光栅传感器

倾斜光纤光栅是一种光栅条纹与光纤法线存在一定角度的特殊光纤光栅.由于光栅倾角的引入,前向传导的入射光被有效激发至后向传导的包层模,并保留满足布拉格条件的后向传导纤芯模.经过各种新颖的结构设计、物理组合及生物化学材料修饰,倾斜光纤光栅可实现多种物理、机械、电磁、生物、医学、化学传感量的高精度检测,成为"光纤上的实验室"(lab-on-fiber)的重要组成和关键器件.该文系统介绍了倾斜光纤光栅的制作方法、模式耦合理论、传感机理与特性(特别是表面等离子共振技术)及近年发展起来的各种传感应用实例,包括机械类传感如弯曲、振动、位移等;电磁类传感如电场、磁场等;生物类传感如细胞、蛋白、血糖;化学类传感如气体、电活性微生物等.随着各种新功能材料和纳米加工技术的快速发展,基于倾斜光纤光栅的交叉学科研究快速发展,为进一步提高光纤传感器测量精度、拓展测量对象提供了重要支撑和广阔的发展空间.     

光纤光栅测头信号解调方法及实验研究

光纤布喇格光栅触发式测头是一种新型测头. 传感信号解调是光纤光栅作为敏感元件应用于测头的关键技术之一. 在光功率与波长漂移量函数关系的基础上,借助双频激光干涉仪、纳米级的微动平台对试制的测头进行FBG自解调实验. 结果表明,研制的测头分辨率达到100nm,验证了光纤布喇格光栅应用于触发式测头的可行性.     

新型微结构光纤分布式声波传感技术及应用

介绍了一种新型分布式微结构光纤及微结构光纤分布式声波传感技术.通过在普通通信光纤的纤芯采用精密光刻技术连续制备纵向微结构散射单元，形成一种新型分布式微结构光纤（distributed microstructure optical fber，DMOF）.基于这种DMOF研制的微结构光纤分布式声波传感系统（microstructure fber distributed acoustic sensor，MF-DAS），采用微结构光散射增强，MF-DAS传感信号的信噪比得到大幅提升；通过微结构光纤链路均衡，大幅度降低MF-DAS近远端传感信号差值；提出微结构光时域反射（microstructure opticaltime domain reflection，M-OTDR）时隙分插复用扩频，显著增大了分布式声波探测频响带宽.这种新型的MF-DAS系统具备高灵敏、大尺度、宽频响等优越性能，在地下及水下声波信息获取、重大基础设施内部损伤探测与外部侵害安全监测等领域具有十分广阔的应用前景.     

偏心孔辅助的双芯光纤器件及其应用研究

随着光纤传感器不断在新领域的应用拓展,光纤传感器正面临许多新的挑战。利用特种光纤研制性能突出的光纤传感器已经成为研究热点。本文介绍了一种偏心孔辅助的双芯光纤的设计,并讨论了多种基于偏心孔辅助的双芯光纤器件的工作原理、制备方法及传感特性。     

基于微光纤技术的小型多功能集成化光纤器件

直径为几百纳米到几微米的微光纤具有倏逝场大、非线性度高、光场束缚能力强、便于弯曲成环、易于接入现有光纤系统等特点,为光纤器件小型化和功能集成化提供了高自由度的平台.通过集成各种外部材料、制备多种多样的人工微纳结构、发掘内禀非线性特性等方法,可以看出微光纤的功能和应用具有无限的可能性.特别是在一根微光纤上实现多个功能的集成,使得基于微光纤的纤上实验室成为可能.该文从微光纤的基本特性、关键器件实现、外部集成、应用等方面介绍了该领域的相关进展.     

光纤传感中的受激布里渊散射效应

受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)作为光纤中重要的非线性效应,对光纤传感系统有重要影响.在远程干涉型传感系统中,SBS增加系统相位噪声,导致传感系统探测灵敏度降低,因此研究其抑制技术十分必要.此外,SBS也是一种重要的传感手段,可用来实现分布式温度或应变测量,因而基于SBS的分布式传感技术受到广泛关注.因为基于SBS的超窄线宽激光器具有独特的性能,所以在相干传感系统中的应用前景较好.该文阐述了SBS对干涉型传感系统的影响,分析对比几种SBS抑制技术,介绍了布里渊光时域分析计的主要指标及几种提高系统性能的技术,最后介绍了超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的研究现状.