为研究不同材料对法布里-珀罗(F-P)干涉声传感器性能的影响。采用几种不同金属材料, 设计制作了基于光纤端面—膜片非本征型F-P干涉声传感器, 利用有限元方法对圆形振动膜片进行模态分析, 得到了一阶固有频率。实验结果表明: 由金、锌合金材料制作的传感器可探测较低声压, 且传感器灵敏度较高、对外界声波信号响应成良好的线性关系。
光纤传感器 法布里-珀罗腔 声传感器 金属材料 圆形膜片 fiber sensor Fabry-Perot cavity acoustic sensor metal material circular diaphragm
西安石油大学 陕西省油气井测控技术重点实验室, 西安 710065
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。
纤芯失配 溶胶-凝胶 core mismatch sol-gel pH pH
西安石油大学 理学院 光电油气测井与检测教育部重点实验室, 西安 710065
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.
微型光纤 马赫曾德干涉仪 氨气传感器 熔融拉锥 倏逝场 Microfiber Mach - Zehnder interferometer Ammonia sensor Fused taper Evanescent field
Author Affiliations
Abstract
Ministry of Education Key Laboratory on Photoelectric Oil-Gas Logging and Detecting, School of Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China
A Fourier analysis applied to the Mach–Zehnder interferometer (MZI) transmission spectrum for simultaneous refractive index (RI) and temperature measurements is proposed and experimentally demonstrated in this Letter. In the fast Fourier transform (FFT) spectrum of the MZI transmission spectrum, several frequency components are generally observed, which means that the transmission spectrum of the MZI is formed by the superposition of some dual-mode interference (DMI) spectra, and each frequency component represents different core-cladding interferences. We can select some dominant frequency components in the FFT spectrum of the MZI transmission spectrum to take the inverse FFT (IFFT). Then, the corresponding DMI patterns can be obtained. Due to the shift of the wavelength of these DMI spectra with changes in the environmental parameters, we can use the coefficient matrix of these DMI spectra for multi-parameter sensing. In this Letter, two DMI patterns are separated from the resultant transmission spectrum of the MZI. As the RI and temperature change, the shifts of the two DMI patterns with respect to the RI and temperature will be observed. The sensitivities of the RI and temperature are 137.1806 nm/RIU (RI unit) and 0.0860 nm/°C, and 22.9955 nm/RIU and 0.0610 nm/°C for the two DMIs. Accordingly, it can be used to simultaneously measure RI and temperature changes. The approach can eliminate the influence of multiple interferences and improve the accuracy of the sensor.
060.2370 Fiber optics sensors 060.2340 Fiber optics components Chinese Optics Letters
2016, 14(3): 030603
西安石油大学 理学院 光电油气测井与检测教育部重点实验室,西安 710065
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.
气泡 马赫曾德干涉仪 折射率 腐蚀 细芯光纤 Air bubble Mach-Zehnder interferometer Refractive index Corrosion Thin core fiber 光子学报
2016, 45(7): 070706006
1 西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室, 西安 710065
2 西北大学 物理系, 西安 710069
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.
光纤锥 马赫-曾德尔干涉仪 湿度传感器 湿度灵敏度 温度灵敏度 交叉灵敏 Fiber tapers Mach-Zehnder interferometer Humidity sensor Humidity sensitivity Temperature sensitivity Cross-sensitivity
1 西安石油大学 理学院 光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安 710065
2 西北大学 物理系, 陕西 西安 710069
基于Mach-Zehnder干涉仪原理, 利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器; 多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模, 不同的模式有不同的模式折射率, 经中间单模光纤传输到错位熔接点处时, 不同模式光之间将产生光程差, 经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明: 溶液折射率变化为1.358 9~1392 2时, 干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系, 可用于折射率的测量; 折射率变化为1.372 0~1.392 2时, 传感器响应曲线具有很好的线性度, 线性拟合系数为0.998, 对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高, 可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。
光纤传感 光纤Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感器 光纤失配 错位熔接 optical fiber sensing optical fiber Mach-Zehnder interferometer refractive index sensor core diameter mismatch misalliance splicing
1 西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安 710065
2 西北大学物理系, 陕西 西安 710069
设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构，可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中，多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模，不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差，再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移，通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90 nm/RIU和0.0501 nm/℃(其中RIU为折射率单位)；1545 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26 nm/RIU和0.0505 nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20 ℃~90 ℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究，结果表明：透射光谱中1535 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03 nm/RIU和0.0465 nm/℃；1545 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24 nm/RIU和0.0542 nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。
光纤光学 光纤马赫曾德尔干涉仪 折射率和温度测量 纤芯失配 光学学报
2014, 34(11): 1106001
1 西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安710065
2 西北大学物理系, 陕西 西安710069
光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。 制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。 纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输, 另一部分进入包层形成包层模, 纤芯模和包层模具有不同的有效折射率, 经过干涉臂的传输产生了光程差。 纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合, 形成干涉进入输出光纤传输。 对不同长度的传感器进行实验研究, 得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。 研究了传感器温度响应特性, 给出了温度响应灵敏度。 实验结果表明, 在30～400 ℃温度范围内, 长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度, 其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。 利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析, 可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP01和高阶模LP08两种模式, 透射谱就是由这两种模式干涉形成的。 该传感器体积小、 精度高、 抗电磁干扰, 具有易于制作、 对比度大、 质轻、 灵敏度高、 耐高温等优点。 可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。
光纤传感器 温度传感 马赫-曾德尔干涉仪 光纤锥 Fiber sensor Temperature sensing Mach-Zehnder (M-Z) interferometer Fiber bitaper 光谱学与光谱分析
2014, 34(6): 1722
