为了实现单波长输出，提出了一种基于单模石英-掺铒-单模石英结构混合介质光纤干涉仪（HFI）的单波长光纤激光器。基于混合介质光纤波导内的光场干涉原理及光波导理论，分析了HFI的模式干涉理论，研究了HFI内干涉光特性随中间段铒掺杂光纤（EDF）长度以及错位量的变化规律;采用熔融错位法制备HFI，优化了EDF的长度和单模光纤与EDF之间的偏移量。结果表明，最佳EDF长度为15 mm，单模光纤与EDF之间的最佳偏移量为7.9 μm;选择长度为15 mm的EDF HFI作为环形光纤激光器谐振腔的选模器件，可获得较高稳定性的单波长光纤激光器输出。这一结果对该激光器在光纤传感和光纤通信系统的应用是有帮助的。

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。

在实际工程中, 光纤弯曲传感器有很大的市场需求。该文利用长周期光纤光栅与无芯光纤串联在1根光纤上构成传感器, 实现对弯曲的传感测量。无芯光纤与长周期光纤光栅级联后, 输出的透射谱中产生了大量对弯曲敏感的谐振峰, 实验考察了波峰1、2的中心波长随弯曲曲率的变化关系。研究结果表明, 波长漂移量与弯曲曲率间存在很好的线性关系, 实验测得弯曲灵敏度分别为-12.51 nm/m-1与-12.504 nm/m-1。该传感器具有结构简单、弯曲灵敏度高,成本低,重复性好等优点, 在大型建筑物与桥梁等弯曲测量领域具有一定的应用价值。

为了提高温度传感器的灵敏度, 本文提出了基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器。该传感器通过熔融拉锥光敏光纤得到微纳光纤, 用毛细管封装后填充高热光系数氮化硼分散液, 并用紫外胶封装防止氮化硼挥发。当微纳光纤直径越小时, 倏逝场越强, 与外界环境的相互作用也会增强, 但在灵敏度与稳定性之间平衡折中, 实验中选择直径为12.3 m的微纳光纤。氮化硼分散液随温度变化折射率变化大, 即对温度变化更敏感, 通过传输光谱的漂移来检测温度响应。实验结果表明, 随着温度的升高, 透射光谱向波长更短的方向移动。无纳米材料封装的温度传感器灵敏度为－0.0297?nm/°C, 氮化硼分散液封装之后灵敏度最高可达－0.2878?nm/°C, 大约为无纳米材料封装传感器灵敏度的十倍左右。氮化硼分散液的浓度对实验温度灵敏度的影响十分微弱。该传感器具有结构小巧轻便, 成本低, 机械性高等优势, 而且纳米材料封装可保护微纳光纤免受环境变化造成的形变以及外界杂质对传感部分的污染, 保证实验的准确性。该传感器在温度传感领域具有重大发展潜力。

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性, 提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。 利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪, 再在FMF上刻制FBG, 通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。 首先分析了组合传感器的传感原理, 由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变, 从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动, 因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量, 实现对待测参数的测量。 然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响, FMF越长, 干涉光谱越明显, 自由光谱范围FSR越小, 为了便于观测组合传感器的整体光谱, 最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。 实验所用FMF可稳定传输LP01, LP11, LP21和LP02四种模式, 通过对比分析不同模式间的干涉和耦合, 确定此组合传感器的干涉光谱是由LP01-LP11干涉形成, FBG透射谱是由LP02-LP02, LP11-LP11, LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。 最后进行温度和折射率的传感实验, 结果表明, 随着外界温度的升高, SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移, 而FBG透射谱发生红移, 其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃-1, 线性度良好; 将FMF包层直径腐蚀至22 μm, 在1.366~1.455的折射率变化范围内, 组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动, 灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU-1。 该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化, 提高了检测准确度, 减小测量过程中出现的偶然误差, 结构简单新颖、 灵敏度高、 易于制备, 且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性, 使得传感变得更加灵活方便。

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography, OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。

提出一种基于无芯-多模-无芯光纤(NMN)结构的硫化氢(H2S)气体传感器。该传感器将两个无芯光纤(NCF)熔接在多模光纤(MMF)的两端,构建NMN的结构。光从单模光纤(SMF)进入NCF中激发出不同高阶模式,进入MMF中时,激发出的高阶模与基模分别在 MMF 的包层和纤芯中传输从而产生相位差,形成模式干涉。同时,对不同长度NCF和MMF的传输特性进行了优化。采用浸渍提拉法在NCF的外表面形成二氧化钛薄膜,利用薄膜对H2S气体的吸附,实现对H2S的快速响应。随着H2S浓度的增加,干涉谱出现红移,在H2S气体体积分数为0~3×10 -5的范围内,得到了7.36 pm/10 -6 的灵敏度和良好的线性度。此外,二氧化钛对H2S具有良好的选择性,响应和恢复时间分别约为50 s和65 s。该传感器具有结构简单、灵敏度高、制造方便等优点,在低浓度H2S气体的安全监测领域有潜在的应用价值。

将单锥微纳光纤模式干涉仪和石墨烯相结合,实现了一种高灵敏度的光纤式氨气传感器,其利用 石墨烯的特异性吸附效应及微纳光纤结构的高灵敏度传感特性,通过检测干涉光谱的漂移量实现了对氨气 浓度微弱变化的检测。对不同组传感器进行了对比分析,结果表明当光纤直径为3.4 μm时最大检测灵敏度为10.8 pm/ppm, 与文献中采用其它光纤结构所报道的结果相比几乎提高了一倍。该传感器具有结构简单、易于实现 及灵敏度高等优点,在危害气体浓度报警和人体健康检测等领域有潜在的应用前景。