结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及**工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高，传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小，导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元，并对Sagnac环的感压部分进行封装，通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0~2.4MPa内，压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa，分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器，其压力灵敏度放大了16.7倍。此外，传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点，为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。

提出一种基于Sagnac干涉原理的光纤传感器，并将其用于温度和应变的环境检测。实验中，选用乙醇溶液填充前后的保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为传感单元。首先，将未填充乙醇溶液的PM-PCF熔接到Sagnac干涉环路中，依靠PM-PCF基底材料的光热效应和光弹性效应，分别在26~50 ℃温度范围内和0~900 μ?应变范围内，实现了-1.72 nm/℃的温度传感灵敏度和35.35 pm/μ?的应变灵敏度。然后，利用氮气加压装置，将乙醇溶液填充到PM-PCF包层空气孔内。这是利用功能材料的外场调谐作用来增强Sagnac干涉仪的传感性能。填充乙醇溶液后，该传感器的温度灵敏度达到-2.66 nm/℃，约为原始PM-PCF温度灵敏度的1.55倍。所提出的用于温度和应变测量的Sagnac干涉传感器结构较为简单，具有良好的迟滞性，对提升光纤传感灵敏度具有一定的借鉴意义。

实芯保偏光子晶体光纤在双折射、温度、抗辐照等方面具有独特的优势,非常适合于光纤陀螺应用,然而其损耗较大,影响着光子晶体光纤陀螺性能的提高,空气孔内壁表面粗糙度引起的散射是导致损耗的原因之一。针对实芯保偏光子晶体光纤散射损耗,建立了光纤散射模型,仿真计算散射损耗为0.179 dB/km;搭建了全自动测试装置,测量灵敏度可达1 pW,散射角测量范围可达15°~165°,光纤旋转角度分辨率可达1°,实现了三维散射球的测量,得到散射损耗为0.23 dB/km,验证了理论仿真结果的可靠性。

保偏光子晶体光纤快慢轴的检测是保偏光子晶体光纤应用的关键技术。针对保偏光子晶体光纤端面空气孔数量多、尺寸存在差异及噪声和伪边缘干扰圆心定位精度的问题, 提出一种双峰均值二值化法粗定位和径向扫描三点法精定位相结合的方法。采用双峰均值二值化法实现空气孔重心的粗定位; 利用大空气孔定方位, 选取两个具有结构对称的空气孔区域, 去除粗大误差点, 径向扫描法确定边缘三点进行圆心精定位, 并利用半径阈值减小误差。实验结果表明, 该方法能有效分割光纤端面图像, 圆心偏差小于0.2个像素, 为光纤定轴打下必要的理论基础。

基于光纤测量远场法原理测量光纤远场光强分布。通过改进远场法得到光纤的远场光强分布后,同时计算得到保偏光子晶体光纤的模场直径和数值孔径,使测量装置实现集成化和简便化。通过光束测试仪测量光纤的出射光强分布,光束测试仪测量的是光纤中心最大光强点的两个垂直方向上的光强分布。保偏光子晶体光纤的出射光斑是椭圆的,每个方向的模场直径、数值孔径分布并不相同。传统的测试方法不能解决这个问题。通过旋转光纤测量光纤各个方向上的光强分布,然后计算各个方向上的模场直径,最后通过拟合各个方向上的模场直径得到保偏光子晶体光纤椭圆形的模场分布。实验测得保偏光子晶体光纤椭圆光斑长短轴的模场直径分别为7.5 μm和4.2 μm,数值孔径分别为0.159和0.276。

分析和仿真了含两段保偏光纤的光纤Sagnac干涉仪输出光谱特性,获得消除两段双折射光纤交叉敏感的条件。提出了一种基于保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪的温度不敏感压力传感技术。采用实心保偏光子晶体光纤作为传感光纤,搭建了基于双段保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪的侧向压力传感系统,分别进行侧向压力测试及温度影响实验。实验结果表明,侧向压力灵敏度可以达到的0.287 7 nm/N,同时由温度变化引起的漂移量小于0.1 pm/℃。

分析了影响保偏光子晶体光纤(PM-PCF)双折射温度敏感性的因素，利用有限元法仿真研究了热光效应和热膨胀效应对典型的实心结构PM-PCF 双折射温度敏感系数的影响。结果表明在-150 ℃~+150 ℃的工作温度范围内，热光效应对双折射的影响可以忽略。得到了这种PM-PCF 双折射温度敏感系数与相邻空气小孔圆心距离Λ的多项式模型，在Λ =5.24 μm 时，双折射的温度敏感系数为零。制作了5 根不同Λ的PM-PCF 样品，采用基于混合Sagnac干涉仪的测量技术分别测试了样品光纤双折射值随温度的变化，在Λ=5.16 μm 时，双折射的温度敏感系数为零，与仿真结果吻合。

提出了一种基于模间干涉原理的双空气孔保偏光子晶体光纤弯曲传感方法。采用有限差分光束传播法对保偏光子晶体光纤弯曲传输特性进行了仿真研究，给出了在弯曲调制时两个低阶偏振模干涉产生的双边瓣归一化光强与弯曲半径的关系，讨论了波长变化对弯曲传感灵敏度的影响，并对所设计的弯曲传感器进行了实验研究。研究结果表明：基于模间干涉技术的双空气孔光子晶体保偏光纤弯曲传感器在10~30 mm 的弯曲半径范围内具有良好的线性度和检测精度。

为了能高精度测量小曲率, 采用单模-鼓包-保偏光子晶体光纤-多模-单模光纤组成的结构, 其中多模光纤和单模光纤之间错位熔接。通过理论分析和实验验证得到在0.04582m-1~0.054776m-1及0.054776m-1~0.06929m-1曲率范围内, 谐振波长漂移与曲率变化之间分别存在着线性关系。结果表明, 该曲率传感器灵敏度值分别为93.95nm/m-1和30.89nm/m-1, 可以应用于健康监测等需要测量小曲率的场合。

给出了保偏光子晶体光纤（PM-PCF）模场的计算模型，搭建了基于近场光斑成像法的PM-PCF 非圆模场在线测量装置，采用红外成像系统实现了模场参数的绝对测量。在此基础上，研究了放电对PM-PCF 模场的微调作用，结合仿真计算，获得模场参数变化规律。建立了PM-PCF与传统保偏光纤的耦合损耗计算模型，确定了低损耗耦合条件，并进行了熔接实验验证，实现了PM-PCF与传统保偏光纤的低损耗熔接。