天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室， 天津市光纤传感工程中心，天津 300072
提出一种基于光频域反射（OFDR）差分相位解调的拉锥光纤分布式折射率传感方法。首先，理论分析了差分相位解调方法的原理并仿真计算了相位随外界折射率变化的灵敏度特性。实验中利用平均去噪与小波平滑实现了340 μm传感空间分辨率的分布式折射率传感解调，其中有效传感区域的长度为45 mm，相位与外界折射率变化的线性拟合度为0.997，各折射率下的最大标准差为0.0067 rad，灵敏度为1328.6 rad/RIU，接近仿真结果1483.7 rad/RIU。与互相关解调方法相比，差分相位解调方法的线性拟合度与标准差均较优，且传感空间分辨率提升了10倍。这种基于差分相位的解调方式为实现微米级分布式生物传感提供了思路。
光纤光学 分布式光纤传感 折射率传感 光频域反射技术 差分相位解调 拉锥光纤
刘译泽 1,2,3江俊峰 1,2,3,*刘琨 1,2,3王双 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁，使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模，其中心波长与有效折射率（气体体积分数）对应，据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明，当氨气的体积分数在0~40×10-6的范围内时，提出的光纤气体传感器的响应呈线性，其传感灵敏度为0.73×106 pm，分辨率为1.9×10-6。当氨气的体积分数为20×10-6时，传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元，另一方面可以直接作为气体通道，避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装，极大地提高了传感系统的实用性。
传感器 气体传感器 回音壁谐振模 氧化石墨烯 刘琨 1,2,3,*尹慧 1,2,3江俊峰 1,2,3刘铁根 1,2,3赵成伟 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
针对目前深度学习在气体检测领域多聚焦于学习单个任务即气体定性分类或气体体积分数定量回归，忽略了相关任务间的信息关联性，降低了模型学习精度与效率等问题，提出了一种基于一维卷积神经网络和长短期记忆网络的多任务学习模型，即MTL-1DCNN-LSTM，并行实现了混合气体种类定性识别与体积分数定量回归。利用掺铥光纤，搭建了二级放大掺铥环腔光纤激光器，基于有源内腔吸收光谱法探测了CO2和NH3混合气体的吸收光谱数据。将实验数据放入多任务学习模型中训练，并进行超参数优化后，对测试集数据进行测试得到气体识别准确率为100%，NH3体积分数预测决定系数为99.84%，CO2体积分数预测决定系数为99.62%，优于单任务模型与传统的气体反演算法如反向传播神经网络和支持向量机。所提出的深度学习算法与有源内腔法相结合的方法，为吸收光谱型混合气体反演技术的进一步研究提供了新思路。
掺铥光纤激光器 有源内腔法 多任务学习 一维卷积神经网络 长短期记忆网络 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0306002
靳喜博 1,2,3刘琨 1,2,3,*江俊峰 1,2,3王双 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
基于双马赫-曾德尔干涉（DMZI）型分布式光纤振动传感系统与无人机（UAV）视频监测系统，通过卷积神经网络同步对光信号和无人机视频信号进行模式识别，从多维度对多类别扰动事件进行精准检测。与传统的模式识别方法相比，所提方案将两个不同维度上的信号有效结合，实现了不同维度上模式识别方法的优势互补，将识别信号的时间维度加入识别，解决了静态信号识别事件有限、准确率较低的问题。为了验证所提方案的可行性和有效性，对常见的9种传感行为（攀爬、轰砸、剪切、脚踢、重敲击、轻敲击、拉扯、摇晃、无入侵）进行了实验测试和分析。实验结果表明，所提出的多维度模式识别方案可以对9种入侵事件达到99.58%的平均测试准确率，并且平均识别时间为0.16 s，短于系统的采样时间0.3 s，满足实际工程应用的需求。
光纤光学 分布式光纤传感 多维度传感 模式识别 卷积神经网络
天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室，天津市光纤传感工程中心，天津 300072
现有光纤生化传感器只获取单点生化物质含量，难以得到其空间分布信息，而沿光纤轴向连续分布成百上千只传感器的分布式生化传感方式可实现这一目标。从准分布式光纤生化传感入手，全面综述了分布式光纤生化传感在气体传感、折射率传感以及生物化学传感方面应用的最新进展。最后对分布式光纤生化传感器的发展前景与当前挑战进行了展望。分布式光纤生化传感研究有望引领当前单点分立式光纤生化传感研究向多点连续分布式方向发展，有望成为化学、生物、医学等领域强有力的新工具。
传感器 分布式光纤传感 准分布式光纤传感 气体传感 折射率传感 生化传感
李雪萍 1,2,3王双 1,2,3,*张鹏 1,2,3江俊峰 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
提出一种飞轮型耦合振膜光纤法布里-珀罗（F-P）声矢量传感器。该传感器通过两个飞轮结构振膜的相邻辐条自然耦合，形成面内膜间桥耦合结构。仿真结果表明，基于振膜耦合增益原理的飞轮型光纤声矢量传感器振膜具有摇摆和弯曲两种振动模态，可实现数千赫兹宽频率范围的相位差放大，从而提高传感器定向精度。两个飞轮型振膜与光纤端面构成两个独立的F-P微腔传感单元，通过光学干涉信号强度提取得到振膜的振动信号。对所制备的传感器在5~7.4 kHz频率范围内进行二维平面声源定向实验，实验结果与仿真结果符合良好，该传感器在5~7.4 kHz的宽频率范围内具有相位差放大效果，在7.2 kHz处取得最大相位差增益5.05。
光纤光学 F-P传感器 声矢量 摇摆模态 耳间相位差 光学学报
2023, 43(20): 2006002
Jianying Jing 1,2,3Kun Liu 1,2,3,*Junfeng Jiang 1,2,3Tianhua Xu 1,2,3[ ... ]Tiegen Liu 1,2,3
Author Affiliations
Abstract
1 School of Precision Instruments and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Tianjin Optical Fiber Sensing Engineering Center, Institute of Optical Fiber Sensing, Tianjin University, Tianjin 300072, China
A dispersion model is developed to provide a generic tool for configuring plasmonic resonance spectral characteristics. The customized design of the resonance curve aiming at specific detection requirements can be achieved. According to the model, a probe-type nano-modified fiber optic configurable plasmonic resonance (NMF-CPR) sensor with tip hot spot enhancement is demonstrated for the measurement of the refractive index in the range of 1.3332–1.3432 corresponding to the low-concentration biomarker solution. The new-type sensing structure avoids excessive broadening and redshift of the resonance dip, which provides more possibilities for the surface modification of other functional nanomaterials. The tip hot spots in nanogaps between the Au layer and Au nanostars (AuNSs), the tip electric field enhancement of AuNSs, and the high carrier mobility of the WSe2 layer synergistically and significantly enhance the sensitivity of the sensor. Experimental results show that the sensitivity and the figure of merit of the tip hot spot enhanced fiber NMF-CPR sensor can achieve up to 2995.70 nm/RIU and 25.04 RIU−1, respectively, which are 1.68 times and 1.29 times higher than those of the conventional fiber plasmonic resonance sensor. The results achieve good agreements with numerical simulations, demonstrate a better level compared to similar reported studies, and verify the correctness of the dispersion model. The detection resolution of the sensor reaches up to 2.00×10−5 RIU, which is obviously higher than that of the conventional side-polished fiber plasmonic resonance sensor. This indicates a high detection accuracy of the sensor. The dense Au layer effectively prevents the intermediate nanomaterials from shedding and chemical degradation, which enables the sensor with high stability. Furthermore, the terminal reflective sensing structure can be used as a practical probe and can allow a more convenient operation.
fiber photonics sensor customized plasmonic resonance curve nano-modified fiber core tip hot spot effect high sensitivity and stability Opto-Electronic Advances
2023, 6(6): 220072
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
针对使用掺铥光纤激光器的气体传感系统进行混合气体测量时，吸收谱线重叠较为严重且相互交叉吸收干扰的现象造成的测量误差大、分析精度低的问题，提出一种基于自适应变异粒子群优化的支持向量机（SVM）方法，用于建立混合气体体积分数定量分析预测模型。对体积分数为0.5%~2%的氨气（NH3）和2%~5%的二氧化碳（CO2）混合气体的吸收光谱数据进行采集和处理，利用自适应变异粒子群优化（AMPSO）算法对SVM模型参数进行寻优，利用获得的最优模型参数构建氨气和二氧化碳气体体积分数定量分析模型，并与标准粒子群优化算法和网格搜索法进行对比。实验结果表明，基于自适应粒子群优化算法建立的氨气和二氧化碳气体体积分数定量分析模型在较为合适的寻优时间下，可以得到最佳的均方误差，效率较高，该模型对测试集中氨气和二氧化碳气体体积分数设定值与预测值的均方误差分别为0.000088和0.000170，决定系数R2均为0.9998，满足混合气体检测要求。
光通信 掺铥光纤激光器 自适应变异粒子群优化 混合气体 支持向量机 光学学报
2023, 43(12): 1206001
1 太原理工大学电子信息与光学工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理学院，山西 太原 030024
3 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
4 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
5 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
6 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
7 天津市光纤传感工程中心，天津 300072
基于线性调频（LFM）脉冲的光纤分布式声波传感（DAS）技术采用同时具有连续波形和脉冲波形优势的LFM脉冲作为探测光，利用频移产生附加相位实现光纤应变导致相位补偿的原理进行传感。可实现光纤链路沿线声/振信号的定量波形恢复，具有响应速度快、灵敏度高等特点，在地球物理学、线性基础设施监测等领域具有显著的优势和应用前景。论述基于LFM脉冲DAS技术的基本传感机理，概述传感距离、空间分辨率、频率响应与衰落噪声抑制等关键技术指标的研究进展，介绍DAS在典型应用中的进展，并对未来可能发展趋势进行探讨。
光纤光学 分布式声波传感 线性调频脉冲 瑞利散射 相位解调 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106002
代小爽 1,2,3王双 1,2,3,*谭珂 1,2,3霍彤 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
以多模光纤为基底来实现损失模式共振（LMR）折射率传感的灵敏度较低，在利用铟锡氧化物（ITO；In2O3和SnO2的质量分数分别为90%和10%）激发光纤LMR传感的基础上，在ITO薄膜上静电组装二氧化钛（TiO2）纳米粒子，实现折射率灵敏度的提升。使用Kretschman结构模型对传感器进行理论分析，仿真分析了LMR共振阶数与ITO薄膜厚度的关系，以及ITO作为LMR膜层实现折射率传感的可行性。通过在光纤侧壁磁控溅射ITO薄膜以产生LMR效应，制备ITO-LMR折射率传感器。通过折射率传感实验对ITO-LMR和TiO2-ITO-LMR两种传感器进行性能测试，在1.3333~1.3840的折射率变化范围内，TiO2-ITO-LMR传感器灵敏度可达1651.659 nm/RIU，相较于ITO-LMR折射率传感器，其灵敏度提升了3.058倍。
光纤光学 损失模式共振 折射率传感器 铟锡氧化物 二氧化钛纳米粒子 光学学报
2023, 43(10): 1006003
