南京邮电大学电子与光学工程学院，柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
提出并实现了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）增敏空芯微瓶谐振腔（PS-HCMR）的高灵敏温度传感器。采用提拉镀膜法在高Q值（~7.83×107）PS-HCMR表面均匀涂敷一层PDMS薄膜以实现热敏功能化，基于PS-HCMR回音壁模共振谱的热敏感性以及PDMS的高热光效应和热膨胀效应，实现了对温度信号的高灵敏度感知与测量。实验结果表明：当膜层厚度为150 μm时，温度灵敏度可达0.127 nm·℃-1，相比于纯SiO2 HCMR提高了32倍。所提出的PS-HCMR的温度传感器具有灵敏度高、制备简单、结构紧凑等优势，在工业化控制、电力系统、环境监测等领域中具有良好的应用前景。
传感器 微腔 聚二甲基硅氧烷 增敏空芯微瓶谐振腔 回音壁模式 热光效应 温度灵敏度
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电重点实验室，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江省引力波精密测量重点实验室，引力波宇宙太极实验室，浙江 杭州 310024
3 之江实验室传感系统研究中心，浙江 杭州 311121
当采用Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术将激光频率锁定在Fabry-Pérot（FP）腔时，激光的频率稳定性完全取决于FP腔的腔长稳定性，而外界环境的温度波动是参考腔腔长稳定性的重要影响因素之一。以典型的FP参考腔真空系统为研究对象，着眼于参考腔对外界温度变化的响应情况，通过理论分析推导出FP参考腔温度与外界温度的传递函数关系，并基于参考腔的温度敏感度曲线，给出参考腔温度敏感度的近似计算公式。数值计算结果证明了传递函数关系的正确性，敏感度近似计算公式的结果虽与理论值存在一定误差，但具有形式简单、参数直观、计算方便等特点，对超稳激光系统设计具有重要的指导意义。
激光光学 FP参考腔 传递函数 热屏蔽层 温度敏感度 光学学报
2023, 43(14): 1314003
1 华北电力大学 电气与电子工程学院，保定 071003
2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室，保定 071003
3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，保定 071003
为提高Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度，提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料，使光纤具有良好的温敏特性。在COMSOL中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算，利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式，最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到2.050 7×10-5/℃，在1 550 nm处可获得5.96×10-2的双折射。将2 mm光子晶体光纤应用于Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析，利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度，提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在0~75 ℃范围内传感器平均灵敏度可达11.28 nm/℃，与现有典型Sagnac型温度传感器相比，本文Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，并且测温范围更大、准确性更高。因此，该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。
光子晶体光纤 Sagnac型温度传感器 双折射 温度灵敏度 乙醇填充 Photonic crystal fiber Sagnac temperature sensor Birefringence Temperature sensitivity Ethanol filling
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
为了设计用于光频域反射仪（optical frequency domain reflectometer, OFDR）温度传感的涂层光纤，提升OFDR的温度灵敏度，增加其适用场景，从理论上分析了 1 层和 2 层涂层对单模光纤中瑞利频移温度灵敏度的影响并进行了仿真。考虑到外涂层的几何、热和机械性能，首先，用Lame解理论分析涂层对OFDR瑞利频移温度灵敏度的影响；其次，基于温度带来的光纤轴向应变关系以及光纤与 1 层涂层之间的力平衡，提出了仅含 1 层涂层的简化解；最后，针对建立的理论模型，对 1 层以及 2 层外涂层光纤的瑞利频移温度灵敏度进行了仿真。结果表明，瑞利频移温度灵敏度随着外涂层的杨氏模量、半径和热膨胀系数的增加而增加，而与涂层泊松比几乎无关。本研究结果将有助于提高OFDR在高温度灵敏度和低温场景中的应用。
光纤 涂层 光频域反射仪 温度灵敏度 fiber coating optical frequency domain reflectometer temperature sensitivity
在低温环境中, 光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变, 从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明, 在80~300K温度范围, 裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43pm/K, 线性度为0.974, 在80~230K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系; 黄铜管封装的FBG温度传感器, 在整个温度范围内灵敏度可达26pm/K, 线性度为0.996, 较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明, 对光纤光栅进行封装, 可以提高其温度灵敏度和线性度, 改善温度传感特性。
光纤传感 光纤光栅 低温 黄铜管封装 温度灵敏度 fiber sensing fiber Bragg grating low temperature brass tube encapsulating temperature sensitivity
1 华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013
2 华东交通大学土木工程国家实验教学示范中心，江西 南昌 330013
为了研究玄武岩纤维（BFRP）封装长标距光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器的温度灵敏度系数，首先介绍了长标距BFRP封装长标距FBG应变传感器的传感原理，然后选取了10个具有不同中心反射波长的BFRP封装长标距FBG应变传感器进行环境温度实验，通过传感器的中心波长变化值与温度变化值拟合分析得出BFRP封装长标距FBG应变传感器的温度灵敏度系数。实验结果表明，BFRP封装长标距FBG应变传感器的中心反射波长与温度呈现出较好的线性拟合关系，BFRP封装长标距FBG传感器温度灵敏度比裸FBG传感器的温度灵敏度高出20%~50%左右，它得到的温度灵敏度系数可以直接对BFRP封装长标距应变传感器进行温度补偿修正。
光纤光学 光纤布拉格光栅 长标距传感器 玄武岩纤维 温度灵敏系数 温度补偿 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0106005
上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200444
光纤法布里-珀罗(F-P)腔传感器作为温度传感器, 应用广泛。提高光纤制作材料及成分的光电特性有利于提高温度传感器的灵敏性。基于光纤熔接与抛磨技术制备了一种基于硅锗芯光纤的F-P腔温度传感器, 其制备过程为: 先用优化的熔接参数将普通单模光纤与硅锗芯光纤熔接, 再通过光纤抛光的方式抛磨硅锗芯光纤, 其长度可通过观察抛磨过程中反射光谱的自由光谱范围精确控制。实验结果表明: 熔接端面光滑平整, 其反射光谱的强度比单模光纤平端高7.7 dB; 硅锗芯光纤F-P腔传感器具有较高的温度灵敏度, 可达116.1 pm/℃。
硅锗芯光纤 光纤F-P腔传感器 温度灵敏度 SiGe core fiber fiber Fabry-Perot cavity sensor temperature sensitivity
1 西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069
2 西北大学 陕西省光电子技术重点实验室, 陕西 西安 710069
分别以铜、铝、有机玻璃、聚四氟乙烯为实验衬底材料, 对采用片式粘敷封装技术的光纤布拉格光栅温度传感增敏特性进行了实验研究。研究结果表明, 当对两侧尾纤有涂覆层的光纤布拉格光栅进行封装时, 其温度灵敏系数分别是裸纤情况下的2.3倍、2.9倍、5.2倍、11.7倍。然而, 粘敷材料在较高温度时显著的热膨胀会引起光纤包层与涂覆层发生一定的脱离, 导致此时其实验结果重复性不甚理想。为了克服这种不利情况, 对尾纤无涂覆层的光纤布拉格光栅进行了封装测试。在测试温度范围内, 其反射波长随温度的变化始终呈现良好的线性关系, 其温度灵敏系数分别提高到了3倍、3.4倍、9.2倍、12.6倍, 测量结果重复性良好。研究结果为将来片式封装光纤布拉格光栅传感器的温度增敏特性的研究, 提供了必要有益的数据支持和参考。
光纤布拉格光栅 温度传感增敏 布拉格波长 衬底材料 片式封装 fiber Bragg grating temperature sensitivity enhancement Bragg wavelength substrate materials slice package 红外与激光工程
2019, 48(11): 1118003
国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
为了减小四频激光陀螺零漂的温度敏感性，对数学补偿模型和安装结构热设计进行了研究。通过高低温实验研究了四频激光陀螺零漂与温度的关系。第一次采用普通铜支架将四频激光陀螺固定在屏蔽盒内，由于两放电支路的温度变化不对称，温度变化率是数学补偿模型的显著项。第二次设计了专用铜支架，使两放电支路的温度对称地变化，因而温度变化率在数学补偿模型中的重要性大大降低。改进支架之后，补偿后的零漂残差从0.018 Hz降低到0.01 Hz，即便采用温度多项式补偿模型也能达到0.012 Hz。这些结果表明：在设计四频激光陀螺系统时，安装结构热设计能够提高数学模型补偿的效果，温度补偿是提高四频激光陀螺的精度的有效方法，在-40~60 °C温度范围内补偿后的百秒标准差达到0.013/((°)·h)。
四频差动激光陀螺 零漂 温度敏感性 温度补偿 热传递 four-frequency differential laser gyro zero drift temperature sensitivity temperature compensation thermal transfer 红外与激光工程
2019, 48(9): 0905005
