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 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
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
中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州 310018
理论和实验研究了基于游标效应的级联法布里珀罗干涉型传感器的温度特性, 该传感器是将一段空芯光纤熔接在两段单模光纤之间制作而成的, 其中空芯光纤的长度与末端单模光纤的长度相近.仿真结果表明：当温度升高时, 传感器的一些反射光谱向长波方向漂移, 而另一些反射光谱向短波方向漂移.分析结果可知, 光谱的移动方向和级联的两个法布里珀罗干涉仪的自由光谱范围的差值有直接关系,在温度升高的情况下, 自由光谱范围差值的正、负决定了传感器的光谱是向长波还是向短波方向漂移.此外, 自由光谱范围差值的大小对传感器灵敏度的高低起决定性作用, 其绝对值越小对应的传感器的灵敏度越高.实验制作了两个温度传感器, 其自由光谱范围之差分别为0.055 nm、－0.456 nm, 对应的温度灵敏度为163.8 pm/℃、－75 pm/℃, 实验结果与仿真结果一致.通过调整空芯光纤和末端单模光纤的长度可进一步提高灵敏度, 从而实现低成本、结构紧凑、高灵敏度的温度传感.
级联法布里珀罗干涉仪 游标效应 自由光谱范围 温度灵敏度 光谱漂移 Cascaded FabryPerot interferometers Vernier effect Free spectrum range Temperature sensitivity Spectrum shift
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 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055
针对微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)在应用中存在的温度依赖问题，数值模拟了被不同折射率液体包围的MNFBG的反射波长与温度的关系，并且制作了可更换封装液体的MNFBG用于实验研究。通过使用蒸馏水和不同折射率的匹配液封装MNFBG，得到了MNFBG反射光谱及其中心波长随封装液体温度的变化规律。研究发现，在相同的温度变化过程中，不同性质的封装液体会影响MNFBG反射光谱的形状和移动方向，改变了普通光纤布拉格光栅(FBG)在温度升高过程中反射光谱形状几乎不变但其中心波长线性红移的特性。封装液体的折射率和热光系数越大，MNFBG反射波长随温度的变化越趋于非线性。换用折射率和热光系数分别为1.456和4×10-4 ℃-1的匹配液体后， MNFBG反射波长的温度灵敏度为-50.3 pm/℃。MNFBG特性与环境液体、温度和FBG的尺寸有关，通过有效控制相关因素可以实现FBG在更多领域的功能化应用。
光纤光学 微纳光纤布拉格光栅 热光效应 温度灵敏度 液体折射率 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 040605
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
石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 石家庄 050043
为了解决光纤光栅作为应变传感器使用时的温度应变交叉敏感问题, 提出了一种全新的光纤光栅温度补偿方法, 该方法最大特点是利用一个光纤光栅同时实现了温度自动补偿与应变测量。该方法基于材料的热应力原理, 简称为基于材料热应力的光纤光栅温度补偿方法。通过理论分析表明: 温度灵敏度系数与应变灵敏度必须精确测定, 否则会影响结构设计;应变元件与温度补偿元件的面积之比对温度补偿效果很大, 原则上应小于0.5, 因此结构半径的加工误差对温度补偿影响很大。应变元件与温度补偿元件的长度比对温度补偿效果基本可忽略, 因此, 原则上在不影响温度补偿效果的前提下, 尽量提高温度补偿元件与应变元件的长度比。
光纤光栅 温度灵敏度 温度补偿 应变传感 光纤传感器 fiber Bragg grating temperature sensitivity temperature-compensated strain sensing optical sensor 强激光与粒子束
2015, 27(2): 024115
1 天津理工大学材料物理研究所显示材料与光电器件教育部重点实验室, 天津 300384
2 天津理工大学理学院, 天津 300384
采用熔融淬火法制备了Er3+掺杂53ZrF4-20BaF2-4LaF3-3AlF3-20NaF-2.4PbF2(ZBLAN)氟化物透明玻璃。在10 K~540 K温度范围内，测量了对应于Er3+斯塔克分裂能级4S3/2(1)→4I15/2和4S3/2(2)→4I15/2（对应波长分别为542 nm和548 nm）的变温荧光光谱，结果显示环境温度升高时，样品在两个发射位置的发光强度均快速衰减，但是衰减速率有所差异，结合位形坐标模型讨论认为，两斯塔克能级的激活能分别为ΔE1=0.078 eV和ΔE2=0.049 eV，其差异导致了二者热猝灭速率不同。分析了斯塔克分裂能级跃迁的荧光强度比(FIR)随温度的变化规律，结果显示在低温区域FIR随温度呈现线性增加，而高温区则趋于平缓。计算了样品的温度灵敏度随温度的变化，结果表明，在温度90 K时，灵敏度达到最大为0.0011 K-1。该材料对环境温度敏感性可应用于光学温度传感器。
材料 ZBLAN透明玻璃 荧光强度比 斯塔克能级 激活能 温度灵敏度
