基于PDMS增敏空芯微瓶谐振腔的高灵敏温度传感器

提出并实现了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)增敏空芯微瓶谐振腔(PS-HCMR)的高灵敏温度传感器。采用提拉镀膜法在高Q值(~7.83×10^(7))PS-HCMR表面均匀涂敷一层PDMS薄膜以实现热敏功能化,基于PS-HCMR回音壁模共振谱的热敏感性以及PDMS的高热光效应和热膨胀效应,实现了对温度信号的高灵敏度感知与测量。实验结果表明:当膜层厚度为150μm时,温度灵敏度可达0.127 nm·℃^(-1),相比于纯SiO_(2)HCMR提高了32倍。所提出的PS-HCMR的温度传感器具有灵敏度高、制备简单、结构紧凑等优势,在工业化控制、电力系统、环境监测等领域中具有良好的应用前景。

基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器

创新性地提出了一种基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器,实现了微压状态下微腔回音壁模式共振光场对流体的直接检测。首先,利用流体动力学和有限元算法理论分析了轴向渐变型空芯微腔的流速和光场特性。其次,通过熔融拉锥和气压控制法制备了高Q值(Q>107)轴向渐变型空芯微腔,利用五维高精度位移平台实现微腔与微纳光纤的高精度、低损耗耦合。实验测试并研究了不同尺寸、不同耦合位置时微腔回音壁模式共振光谱的流速传感特性,获得的最大流速灵敏度达0.27 pm/(μL/min),流速分辨率为1.43μL/min。该传感器具有较高的重复性和实时性,在高灵敏度流体检测、水质检测等领域具有潜在应用价值。

基于光反射式耦合探针的高灵敏曲率与振动双参量传感器

提出并研究了基于光反射式耦合探针(ORCP)的高灵敏曲率和振动双参量传感器。ORCP通过光纤熔融拉锥、耦合结合垂直切割方法制备而成,尺寸为mm级别。将弯曲或振动信号施加于ORCP悬臂耦合区域,改变干涉超模的模场分布以及折射率,引起反射光谱波长或强度偏移,实现对曲率和振动两种物理量的高灵敏度测试。其中,曲率灵敏度高达11.97 nm/m^(-1),响应范围为0~10.49 m^(-1),线性度大于0.98。振动灵敏度为0.72 mV/V@80 kHz,超宽带振动频率响应范围为185 Hz~20 MHz,具有高保真度以及高线性度,信噪比达到~53.56 dB。此外,该传感器可实现阻尼振动信号的检测以及声音识别。所提基于ORCP曲率和振动传感器具有灵敏度高、响应范围宽、线性度好、稳定性高、保真度高等优势,探针尺寸为mm级别,结构紧凑,支撑其在油田、煤矿等受限空间与恶劣环境领域中的潜在应用,有望实现基础设施突发事件潜在威胁的预测以及微小裂缝的检测。

基于干涉增强型混合光波导的高灵敏折射率传感器

本文提出并研究了一种基于干涉增强型混合光波导(IE-HOW)的高灵敏折射率传感器。IE-HOW包括微纳U型光波导与微瓶腔,通过光纤熔融拉锥以及电弧放电方法制备并级联而成。基于强倏逝场效应,实现了对折射率的高灵敏传感测试。实验结果表明,当微纳U型光纤锥区直径为4.88μm时,IE-HOW的折射率灵敏度相比于普通单个无干涉增强微纳U型光波导提高了3倍,高达8813.26 nm/RIU(灵敏度单位),线性度R2>0.9。该传感器具有灵敏度高、损耗低、结构紧凑、稳定性好等优点,在环境监测、生化检测、临床诊断等领域有着广阔的应用前景。

基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器

提出并研究了一种基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器。利用自制的磷酸盐玻璃预制棒,以拉丝的方式制作出直径为200~500μm、纤芯-包层折射率差为0.004的磷酸盐玻璃光纤。利用大功率CO_2激光器熔融加热光纤制备出Q值达7.28×10^(5)的微球腔。利用1550 nm波段的可调谐激光器,通过锥形光纤耦合方式激发微球腔内回音壁模式(WGM)共振,获得带宽约2 pm、插入损耗小于0.3 dB的耦合共振谱。在不同功率泵浦光的注入下,磷酸盐玻璃微球腔具有比普通石英微球腔更高的光敏感特性。实验结果表明:当微腔泵浦光功率增加时,磷酸盐玻璃微球腔内的WGM共振谱向短波长漂移(蓝移),光热调谐灵敏度约为72.727 pm/mW,线性度大于0.99;在相同光功率变化下,普通石英微球腔内的WGM共振谱向长波长漂移(红移),光热调谐灵敏度约为0.086 pm/mW,线性度较低。本文提出的磷酸盐玻璃微球腔全光调谐滤波器具有全光控制、结构紧凑、稳定性好、超窄带宽和调谐效率高等优势,在光纤传感和光纤通信等领域具有重要应用。

基于稀土光纤双花生结的高灵敏度光纤温度传感器

提出并研究了一种基于稀土光纤双花生结(RDDFP)的光纤温度传感器。采用稀土掺杂光纤制备双花生结,利用其包层模和纤芯模干涉对温度的敏感特性,结合稀土光纤中稀土离子的强热光效应,实现对温度的高灵敏度感知与测量。通过理论和实验研究并对比掺铒光纤双花生结(EDDFP)和掺镱光纤双花生结(YDDFP)两种稀土光纤花生结中的模式干涉和热敏感效应。实验结果表明,相比于普通光纤双花生结,RDDFP具有更强的热光效应和更高的温度灵敏度。其中,EDDFP温度灵敏度为1286 pm/℃,YDDFP温度灵敏度为-2343 pm/℃。基于RDDFP的光纤温度传感器具有灵敏度高、重复性高、全光纤、制作简单、结构紧凑等优势,在电力系统、建筑、航空航天以及海洋开发领域等具有良好的应用前景。

基于二模-单模微纳光纤Sagnac环的高灵敏度光纤温度传感器

提出并研究了一种基于二模-单模光纤复合型微纳光纤Sagnac环(TS-MSL)的高灵敏度光纤温度传感器。TSMSL采用两段单模光纤中间熔接一段二模光纤并经熔融拉锥制备而成,基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料进行封装。实验结果表明,TS-MSL的光场干涉增强效应结合PDMS材料的光热敏感特性,有效提升了微纳光纤的温度感知能力,实现了高灵敏度温度传感。相比于普通单模微纳光纤Sagnac环,该光纤传感器的温度灵敏度提升了120倍,高达8.13 nm/℃。该传感器具有较高的灵敏度,在有毒气体和腐蚀环境等特殊场合的精确温度监测中有较大的实用价值。