基于SPR效应和缺陷耦合的光子晶体光纤高灵敏度磁场与温度传感器

设计了一种基于表面等离子体共振(SPR)效应以及缺陷耦合机理的新型光子晶体光纤传感器。该传感器结构中光子晶体光纤包层的一个特定空气孔内表层被镀上金属薄膜,通过改变另一空气孔直径以形成缺陷,并在这两个空气孔中填充磁流体材料。通过分析磁流体的折射率与温度、磁场的关系,实现了对温度和磁场的同时测量。实验结果表明,耦合谐振峰与SPR损耗峰在温度升高时均产生蓝移,磁场增强时均产生红移。耦合谐振峰与SPR损耗峰的温度灵敏度分别可达到-1.338 nm/℃和-1.575 nm/℃,磁场灵敏度分别为4.333μm/T和2.816μm/T。该传感器不仅具有高灵敏度,而且实现了磁场和温度的精确测量。

基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤横向应力传感器

基于表面等离子体共振(SPR)效应,设计了一种采用双芯结构光子晶体光纤(PCF)作为光波导的横向应力传感器。通过建立SPR耦合波模型和PCF结构的形变模型,利用全矢量有限元法进行数值模拟,获得了基模共振峰的偏移量与横向应力的关系。结果表明共振峰波长的偏移量与所施加应力具有很好的线性关系。对PCF的截面结构进行优化设计,通过选择适当的空气孔层数、直径和周期,可获得较高的测量灵敏度。该研究可为基于SPR的PCF横向应力传感器的设计提供理论依据。

基于温度自补偿的光子晶体光纤光栅的应变传感特性研究

在正六边形包层空气孔中填充特定负折射率温度系数材料,通过温度自补偿实现非温度依赖的应变传感检测。基于耦合模理论,建立传感分析模型,结合控制变量法对不同温度和波长下的模式有效折射率进行数值分析。在包层空气孔填充不同液体材料,探究基模以及一阶光波模式的谐振波长对温度的不敏感特性,并对PCFBG中不同光波模式的温度/应变传感特性进行对比研究。计算结果表明,在包层空气孔填充材料I,环境温度由-20℃升至100℃,基模光场的反射峰中心波长仅漂移2.3pm,应变灵敏度达到1.234 8pm/με;在包层空气孔填充材料II,一阶光波模式仅漂移4.6pm,应变灵敏度为1.311 8pm/με。表明在光子晶体光纤包层空气孔中填充对应的温度补偿材料能有效实现具备温度稳定性的高灵敏度应变传感监测。

磁流体填充的光子晶体光纤Bragg光栅三参量同时传感特性研究

基于光子晶体光纤(PCF)包层空气孔灵活的结构设计,将磁流体填充的PCF(MF-PCF)和普通PCF进行焊接,并在其纤芯区域刻蚀Bragg光栅,提出一种能够同时测量温度、磁场和应变的PCFBG传感器。基于模式耦合理论以及传输矩阵法,结合PCF中基模以及高阶光波模式的不同传感特性,通过分析热光效应、磁光效应以及弹光效应对模型不同光波模式的影响,探究谐振波峰反射谱响应特性。实验结果表明,本文的PCFBG传感器,温度灵敏度最高可达13.97pm/℃,磁场灵敏度最高达10.04pm/mT,应变灵敏度最高达1.223pm/με;且谐振反射光谱的漂移量与温度、磁场以及应变的变化具有良好的线性关系。通过设计相应的三参量矩阵解调算法,可实现温度、应变以及磁场的同时测量,从而有效降低传感成本,拓宽传感思路,具有一定的应用价值。