提出一种基于光子晶体光纤(PCF)的光纤迈克耳孙干涉仪,传感器结构由单模光纤(SMF)与一段PCF熔接构成。SMF与PCF之间的粗锥作为耦合器,既能激发出PCF中的高阶包层模,又能耦合PCF端面反射回的纤芯基模与高阶包层模,形成模间干涉。由于PCF中的空气孔全部暴露在环境中,湿气与光纤充分作用,有效提高了传感器的湿度灵敏度。传感实验结果表明,在30%~90%的相对湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为-0.095 dB/%,线性拟合度为0.998;在20~100 ℃的温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm/℃,线性拟合度为0.997,温度引起的湿度测量误差为0.01%/℃;稳定性实验结果显示,该传感器的湿度测量标准误差为0.25%;呼吸测试表明,传感器的响应时间为190 ms。所设计的传感器结构简单、制作简便、灵敏度高、稳定性好、响应快,在湿度监测领域有较好的应用前景。

为了便于检测液体pH值, 通过将多模光纤剥除涂覆层后, 经过化学腐蚀, 在腐蚀区域涂覆对pH敏感的溶胶-凝胶膜, 从而制作了一种基于纤芯失配的马赫-曾德尔干涉pH检测传感器。使用光谱仪来检测该传感结构对pH样品溶液的响应光谱, 并对响应光谱数据进行分析。实验结果表明: 当样品溶液pH值在4.02~10.01范围时, 响应光谱波长漂移量与pH值变化呈良好的线性变化规律, pH值每变化1个单位, 所检测波谷中心波长向短波方向漂移567 pm。该传感结构经过涂敷之后具有良好的机械强度, 可更好地应用于液体的pH检测。

提出并制作了一种基于多模干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,干涉仪由多模光纤熔接单模光纤构成。光从单模光纤进入多模光纤时,由于纤芯失配会激发出多个高阶模,这些高阶模与纤芯基模在多模光纤中耦合并发生模间干涉。制作的传感器样品的干涉谱条纹清晰,对比度高。液体折射率传感和温度响应特性实验结果表明在1.3333~1.3796 RIU的折射率范围内,干涉仪的液体折射率灵敏度为-92.43 dB/RIU;在25~75 ℃的水温范围内,干涉仪的液体温度灵敏度为0.01 dB/℃。传感器结构简单,易于制作,成本低廉,其探针式结构在生物医学、石油化工等领域有一定的应用前景。

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺, 提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪, 由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器, 激发出光纤高阶包层模, 纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高, 对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12 mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究, 实验结果表明在0~9 mm 的液位变化范围内, 干涉谷波长与液位呈线性关系, 水液位灵敏度为－0.116 nm/mm, 质量分数为4.7%的 NaCl溶液液位灵敏度为－0.129 nm/mm；在20~80 ℃的水温变化范围内, 干涉谷的温度灵敏度为0.038 nm/℃。传感器结构简单、制作简便, 而且成本低廉, 在石油化工等领域具有较好的应用前景。

利用光纤火焰熔融拉锥法, 制作了一种高灵敏微光纤氨气(NH3)传感器.该传感器将一段长度为10 mm的保偏光纤接入普通单模光纤中, 通过光纤火焰熔融拉锥机将保偏光纤熔融拉伸至直径为8.33 μm制作而成.该结构基于马赫-曾德干涉仪的原理, 利用保偏光纤纤芯模与包层模相互作用实现模间干涉.外界环境中NH3浓度变化时, 细锥区倏逝场发生变化, 通过检测透射谱中波长的漂移, 实现传感器对环境中NH3浓度的测量.实验结果表明, 当NH3 浓度由8 ppm~56 ppm变化时, 透射谱向长波方向移动约5 nm, 且NH3浓度与波长漂移成二次拟合.在NH3浓度为32 ppm~56 ppm变化时, 可将NH3浓度与波长漂移近似看成线性关系, 此时传感器的灵敏度为176.08 pm/ppm.该传感器具有体积小, 制作简单, 灵敏度高等优点, 可用于不同领域的NH3传感测量.

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。 当环境湿度变化时, SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移, 而光纤布拉格光栅对湿度不敏感, 其纤芯基模保持不变。 因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模, 通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。 数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律, 理论计算了不同环境折射率时, 多模纤芯的长度、 直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。 理论模拟表明, 随着环境折射率变化, SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。 同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究, 实验结果表明多模纤芯长35 mm、 纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内, 湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。 在20～80 ℃温度范围内, 传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1, 温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。 传感器具有制作简单、 灵敏度高、 反射式能量检测等优点, 在湿度测量领域有一定的应用价值。

通过化学腐蚀方法制作了一种基于光纤气泡级联马赫曾德干涉液体折射率传感器.在细芯光纤两端熔接切割端面被腐蚀的单模光纤,构成气泡-细芯光纤-气泡结构,该结构中两个气泡耦合光场,细芯光纤作为传感臂,构成光纤马赫曾德干涉仪.对该传感器的干涉谱能量随折射率的变化规律进行了研究,结果表明：干涉谱的能量与环境折射率之间存在较好的线性关系,同时波长变化对环境折射率变化不敏感; 当外界折射率变化范围在1.345~1.389时,传感器的灵敏度为－216.21dB/RIU.该传感器在生物化学领域有较好的应用前景.

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥，光纤锥的直径为43.7 μm，长度为480 μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器，激发出光纤高阶模，并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差，将导致干涉仪的传输光谱发生漂移，从而实现传感测量.实验结果表明：当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时，传感器的折射率灵敏度为－128.233 nm/RIU；当水溶液的温度变化范围为30~75℃时，传感器的温度灵敏度为0.111 nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点，可应用于生物传感测量.

提出了一种基于普通单模光纤粗锥级联结构的马赫-曾德尔干涉湿度传感器.将两根单模光纤对芯熔融成一个粗锥, 并依次级联, 形成光纤锥-单模光纤-光纤锥-单模光纤-光纤锥结构.外界环境湿度、温度的改变使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变, 引起传感器干涉光谱发生变化.通过监测干涉谱波长和能量的变化实现对外界物理量的测量.实验结果表明, 当空气中湿度在35-95%RH范围内变化时, 传感器的湿度灵敏度为-0.065 dB/%RH, 线性度为0.997；当温度在30-80 ℃范围内变化时传感器的温度灵敏度为69.4 pm/℃, 线性度为0.998.该传感器可以避免温湿度的交叉影响, 实现单参量的同时在线区分测量.

在介绍短周期光纤光栅(FBG)和微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)折射率传感原理的基础上, 围绕如何提高FBG折射率传感灵敏度, 详细论述了腐蚀法和抛磨法两种折射率传感技术方案的研究进展, 对比分析了两种方案的优缺点。同时综述了微纳光纤和微纳光纤光栅应用于折射率传感的研究现状, 指出了目前研究所面临的技术难题与解决方案, 展望了FBG折射率传感技术的发展趋势, 可为进一步开展基于光纤光栅器件的折射率传感研究提供参考。