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。     

基于金银复合膜的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

为了优化基于D型光子晶体光纤单层金属膜折射率传感器的性能,提出了一种基于金银复合膜的D型光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)效应传感器.该传感器具有结构简单、灵敏度高、能有效减少银的氧化、半高宽窄等优点.利用有限元法对所提出的传感器结构进行了模态分析,以评估该传感器的各项参数.仿真结果表明：在纤芯小空气孔直径为0.20μm、大空气孔直径为0.75μm、气孔间距为2.00μm、金膜的厚度为15 nm、银膜的厚度为30 nm时,最大折射率灵敏度为6 400.00 nm/RIU,分辨率为1.56×10^-6 RIU;在相同结构中,相比于单层金膜的折射率灵敏度提高了120%,分辨率提高了95%.该传感器可应用于高灵敏度折射率传感或温度传感等领域.     

基于表面等离子体共振光纤持气率传感器探头敏感膜理论仿真研究

为了研究光纤表面等离子体共振传感器的传感特性,利用TFCalc软件,仿真研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的反射光谱特性。分别考查金膜和银膜的敏感膜对反射光谱特性的影响。仿真结果表明,金膜有更高的灵敏度,银膜则有较高的信噪比和检测精度。     

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。     

光纤表面等离子体共振传感器Al膜氧化的仿真研究

为了研究光纤表面等离子体共振传感器的传感特性,利用TFCalc软件仿真研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的反射光谱特性。考查了敏感膜为Al膜及被氧化的Al膜对反射光谱特性的影响。仿真结果表明,Al膜的被氧化程度对反射光谱的影响较大,对光纤表面等离子体共振传感器的灵敏度影响也较大。     

光纤表面等离子体共振传感器敏感膜的仿真研究

为了研究光纤表面等离子体共振传感器的传感特性,利用TFCalc软件仿真研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的反射光谱特性,分别考查敏感膜为Au膜、Ag膜、Al膜和Cu膜对反射光谱特性的影响。仿真结果表明,Au膜和Ag膜有较高的灵敏度,Al膜和Cu膜厚度分别在10 nm和30 nm有较明显的共振现象。     

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。     

高响应速度光纤光栅海洋温度传感器设计与仿真研究

设计了一种适合海洋抛弃式测量的高速响应光纤光栅温度传感器。通过对传感器的温度灵敏度的理论分析,采用有限元方法对不同结构参数传感器的响应时间进行了仿真和对比分析,设计了一种响应时间为17 ms的传感器,其灵敏度理论值可以达到30.7 pm/℃,适用于海洋温度快速测量。     

基于金属-介质-金属阵列的折射率传感(英文)

提出一种基于金属-介质-金属阵列结构折射率传感器.在可见光及近红外光区域内,由于表面等离子效应,入射波在特定频率时可以通过一个无缝的金,在80 nm厚的金膜上可以得到近100%的透射率.仿真结果表明传感器对周围液体的折射率变化也很敏感,这些发现可以得出一个新的、简化的替代方法,使传感器更加小型化.     

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。     

基于实芯光子晶体光纤的本征型法布里-珀罗温度传感器

本文提出一种基于实芯光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber,PCF)的本征型法布里-珀罗干涉(Intrinsic Fabry-Perot Interferometer,IFPI)温度传感器。该传感器仅需两次电弧熔接即可制备而成。对不同腔长的传感器进行了温度传感实验,实验结果表明,在20~90℃的温度变化范围内,传感器具有较好的温度灵敏度,且在一定长度范围内,F-P腔长越长,灵敏度越高,最高可达16.34 pm/℃。因此,该传感器具有制作简单、结构稳定、灵敏度高等优点,可用于不同场合的温度传感领域。     

用于硝酸根浓度测量的反射式光纤SPR传感器

提出一种反射式光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)传感器用来测量硝酸根浓度.传感器采用反射式结构,并利用金膜来激发SPR.制备铜纳米粒子/碳纳米管(copper-nanoparticles/carbon-nanotube, Cu-NPs/CNT)膜作为硝酸根浓度测量的敏感膜.当溶液中硝酸根浓度发生变化时,吸附在CNT上的由铜催化产生的氨气的浓度也会随之改变,导致CNT折射率发生改变,从而使SPR谐振波谷发生移动,进而实现硝酸根浓度测量.实验结果显示该传感器在低浓度区间内的平均灵敏度达到了14.14nm/lg［c/(mol·L^-1)］.这种传感器易于封装,可以应用于远距离测量,将在生物化学参量测量方面有着潜在应用.     

基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器

针对扭转角度的精确测量问题,提出一种基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器.采用对温度不敏感的保偏光子晶体光纤作为扭转角度的传感单元,当保偏光子晶体光纤被旋转一定角度时,其双折射值会发生改变,进而影响光在环镜系统内的干涉情况,最终表现为光谱仪上干涉谱的移动.理论推导出系统的传感规律后,实验测得该传感器在扭转角度为0°~101°的范围内,灵敏度为0.061 7 nm/(°);若光谱仪分辨率为0.01 nm,则系统最小分辨力为0.16°,并具有超低的温度灵敏度-0.6 pm/℃.该角度传感器具有体积小、成本低、对温度不敏感及可用于远距离传输等优点.     

高折射率芯Bragg光纤的气体传感特性

应用全矢量有限元方法,分析了高折射率芯Bragg光纤的气体传感特性,通过计算Bragg光纤的结构参数、传输光波长与其传感灵敏度之间的关系,结果发现：同等条件下,传输波长越长,高折射率纤芯半径越小,高折射率介质折射率越低,高折射率芯Bragg光纤的传感灵敏度则越高.     

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...     

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.     

基于细芯光纤和球形结构的干涉型光纤传感器

设计制作了一种基于细芯光纤(Thin-core Fiber,TCF)和球形结构的干涉型光纤传感器.将一根单模光纤和一根细芯光纤熔接,然后在另一条单模光纤上制作球形结构,再与该细芯光纤熔接,制成传感单元.利用纤芯模和包层模的干涉,实现了对温度和压力的传感.实验结果表明,两个干涉谷Dip1和Dip2的温度灵敏度分别为0.056 1 nm/℃和0.054 2 nm/℃,压力敏感度分别为0.041 8 nm/N,0.030 6 nm/N.由于两个干涉谷的温度、压力灵敏度分别不同,所以可以利用敏感矩阵实现温度、压力双参量的同时测量。     

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。     

双微流体通道光子晶体光纤传感器分析

利用有限元法对基于双微流体通道光子晶体光纤传感器进行分析．数值模拟了当微流体通道的直径、待测液体折射率、金属纳米薄膜厚度不同时传感器的参数变化特性．结果表明,不同参数的传感器所表现出来的吸收特性各不相同,且表面等离子体共振的激发对待测液体折射率非常敏感．用两种方法分别得出该传感器的灵敏度及分辨率,研究结果为光子晶体光纤传感器的设计和实际操作提供了理论依据．     

免标记光纤生物传感器的研究进展

按照传感器的工作原理将免标记光纤生物传感器分成了光纤表面等离子体共振生物传感器、光纤倏逝波生物传感器和光纤光栅生物传感器3类,详细说明了3类生物传感器的基本结构、工作原理及特点,简要介绍了其在生物医学领域中的应用,并展望了免标记光纤生物传感器的发展前景。