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
强激光与粒子束
2024, 36(1): 011001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽省光子器件与材料重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230039
研究了批量制备的锥形光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针的定量检测性能。在统一的制备条件下，基于静电吸附自组装方法批量制备的同一批次锥形光纤探针具有良好的互换性。基于相同检测条件，在同一福美双样品浓度下测得SERS光谱幅度的相对标准偏差（RSD）可达8%以下。不同批次的光纤探针存在互换性退化问题，难以满足实际定量检测应用对光纤探针数目的要求。为了解决该问题，提出并演示了一种将不同批次光纤探针的光谱数据同化至同批次光纤探针测量结果的同化方法。通过对同化后的大样本光谱数据进行统计平均和数据拟合，获得了福美双样品在2×10-8~10-6 mol/L浓度范围内的SERS定量关系曲线，福美双加标样品的测试回收率可达90%~110%。该研究结果对于实际SERS定量检测具有参考意义。
光纤光学 表面增强拉曼散射 锥形光纤探针 批量制备 定量检测 静电吸附自组装法 福美双
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院纤维集成光学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学烟台研究院先进光纤传感技术研发中心，山东 烟台 264006
基于光纤后向散射的光纤传感技术具有全分布、长距离等特点，在诸多领域受到广泛关注，被认为是一种变革性技术。散射光随着传输距离增加逐渐减弱，信噪比降低导致感知性能下降，成为限制其在长距离应用的主要因素。通过光纤掺杂、写入弱光栅等方式增加光纤散射强度可以有效缓解该问题。然而对于数千米的超长距应用，散射增加意味光纤损耗的增强，通过增加散射来提升信噪比的方法失效。本课题组提出一种增加光纤后向散射强度但不增加光纤本征损耗的散射收集能力增强光纤。本文分别从增强光纤散射能力和增强后向收集能力两个方向总结了散射增强光纤的几种方法，论述了各种方法的优缺点，并进行了简要展望。
光纤光学 分布式传感 散射增强光纤 辐照光纤 微结构光纤 掺杂光纤 超长锥形光纤
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
回音壁模式晶体腔凭借其高品质因数和小模式体积, 在光学滤波、非线性转换、光学传感等研究领域都具有重要的应用前景, 然而裸露光学微腔的谐振特性极易受外界环境干扰的影响, 针对基于氟化镁晶体回音壁模式微腔的光纤耦合封装技术进行了研究。通过氢氧焰熔融拉锥的方式制备了锥形光纤, 其锥腰直径约为2 μm。搭建了回音壁微腔与锥形光纤耦合测试实验平台, 优化后的锥形光纤耦合系统使回音壁模式晶体腔在一定波长范围内工作在少模状态, 品质因数达到5.15×107。此外, 完成了具有精准温控的耦合器件封装, 提升了锥形光纤和回音壁腔耦合系统的稳定性。从实际应用的角度出发, 为超高品质因数的回音壁模式晶体腔的封装提供了一种有益的尝试。
回音壁模式 光学微腔 品质因数 锥形光纤耦合 封装器件 whispering gallery mode optical microcavity quality factor coupling with the tapered fiber packaged device
强激光与粒子束
2022, 34(8): 081001
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 300072
提出了一种具有增强灵敏度的锥形光纤二硫化钨（WS2）-金（Au）表面等离子体共振（SPR）传感器。通过传输矩阵方法对传感器进行了理论模拟，评估了传感器的可行性。在锥形光纤上依次涂覆WS2和溅射金膜进行传感实验，该传感器的实验折射率灵敏度可达4 158.171 nm/RIU，比多模光纤SPR传感器提高了125.8%，比锥形光纤Au-WS2 SPR传感器提高了50.1%。此外，该传感器中的WS2不易脱落，表现出良好的可靠性。该传感器结构简单、易于制造，具有高的折射率灵敏度，在生化传感领域具有良好的应用前景。
表面等离子体共振 锥形光纤 灵敏度 二硫化钨 传感器 Surface plasmon resonance Tapered fiber Sensitivity Tungsten disulfide Sensor
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 133033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为解决干涉型锥形微纳光纤传感器结构尺寸长、加工重复性低的问题,设计了一种非绝热锥形微纳光纤传感结构。首先基于光纤模式理论研究了干涉型锥形微纳光纤传感器的传感灵敏度对腰部直径的依赖关系及其不同部位的传感特性,并研究了非绝热条件下在光纤拉锥过程中进行模式控制的方法。在此基础上设计并制作了腰部直径为3.1 μm、锥腰长度为1.1 cm的锥形微纳光纤传感结构,其低折射率检测灵敏度高达90250 nm/RIU。该结构具有尺寸短、加工重复性好的特点,为实现传感器的小型化、集成化提供了基础,有望用于生物医疗、环境监测等领域。
光纤光学 锥形光纤 模式干涉 色散转折点 光学学报
2021, 41(23): 2306001
Author Affiliations
Abstract
1 Shandong Key Laboratory of Optical Communication Science and Technology, School of Physics Science and Information Technology, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China
2 Department of Robotics and Automation Engineering, PARK College of Engineering and Technology, Kaniyur 641659, India
3 School of Agriculture Science, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China
4 Liaocheng People’s Hospital, Medical College of Liaocheng University, Liaocheng 252000, China
5 Department of Electronics and Communication Engineering, Indian Institute of Technology-Roorkee, Roorkee 247667, India
6 Department of Electrical and Electronics & Communication Engineering, DIT University, Dehradun 248009, India
The ascorbic acid (AA) is a biomarker that can be used to detect the symptoms of severe disorders such as scurvy, Parkinson’s, Alzheimer’s, and cardiovascular diseases. In this work, a simple and effective sensor model is developed to diagnose the presence of AA samples. To develop the sensor, a tapered single-mode optical fiber has been used with the well-known phenomenon of localized surface plasmon resonance (LSPR). For LSPR, the tapered region is immobilized with synthesized gold nanoparticles (AuNPs) and zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) whose absorbance peak wavelengths appear at 519 nm and 370 nm, respectively. On the basis of nanoparticles (NPs) configurations, two different biosensor probes are developed. In the first one, the sensing region is immobilized with AuNPs and named Probe I. In the second probe, the immobilized layer of AuNPs is further coated with a layer of ZnO-NPs, and a resultant probe is termed as Probe II. The characterizations of synthesized AuNPs and developed fiber probes are done by the ultraviolet-visible (UV-vis) spectrophotometer, high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscope (SEM). To enhance the selectivity, a sensing region of probes is functionalized with ascorbate oxidase enzyme that oxidizes the AA in the presence of oxygen. The response of developed sensor probes is authenticated by sensing the samples of AA in the range from 500 nM to 1 mM, which covers the range of AA found in human bodies, i.e., 40 μM – 120 μM. The performance analysis of the developed sensor probes has been done in terms of their stability, reproducibility, reusability, and selectivity. To observe the stability of AA, a pH-test has also been done that results in a better solubility of AA molecules in phosphate-buffered saline (PBS) solution.
Ascorbic acid localized surface plasmon resonance gold nanoparticles zinc oxide nanoparticles tapered fiber optical fiber sensor Photonic Sensors
2021, 11(4): 418
王力 1王小林 1,2,3,*张汉伟 1,2,3陈子伦 1,2,3许晓军 1,2,3,*
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院, 长沙410073
2 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 长沙410073
3 高能激光技术湖南省重点实验室, 长沙 410073
锥形光纤纤芯直径沿着光纤长度方向均匀增大，在抑制非线性效应方面有着独特的优势。理论对比了单横模高斯光束输入时，输入纤芯直径均为50 μm、纤芯直径沿着光纤长度方向恒定、线性增大和非线性增大的变纤芯直径传能光纤的输出光谱演化和拉曼光特性。在相同条件下，输入功率10 kW时，恒定型传能光纤的输出光谱中，拉曼抑制比（定义为输出光谱中信号光峰值强度分贝值与拉曼光峰值强度分贝值之差）为33.1 dB，线性增大和非线性增大型的输出拉曼抑制比分别为47.0，48.6 dB，分别优于恒定型传能光纤13.9，15.5 dB；输入功率达17.5 kW时，恒定型传能光纤中有81.6%的输入能量被耗散或转移到其他波长，线性增大和非线性增大型仅不到2%，其输出的信号光波段能量占总输入能量的98.1%，98.9%。结果表明，使用线性增大型或非线性增大型传能光纤代替恒定型常规光纤，可以有效提高受激拉曼散射阈值，相关研究可以为大功率光纤合束器和光纤端帽的设计提供有益参考。
光纤激光 受激拉曼散射 传能光纤 变纤芯直径 锥形光纤 仿真 fiber laser stimulated Raman scattering passive fiber variable core diameter tapered fiber simulation 强激光与粒子束
2021, 33(11): 111011
