基于悬浮芯光纤的并联双腔结构设计与传感特性研究

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温度作为常见的物理量之一,对人们的生产生活起着重要的作用,因此,温度的测量与控制有非常重要的意义。与传统的温度传感器相比,光纤温度传感器具有体积小、耐腐蚀、重量轻等优点,尤其是光纤法布里-珀罗干涉计(FPI),还具有结构简单、稳定性好的优点,近年来受到了研究者的广泛关注。然而,受二氧化硅材料热膨胀系数和热光系数偏低的影响,全光纤单腔温度传感器的灵敏度仅约为10pm/℃。近年来,光学游标效应被广泛用于提高F-P的灵敏度。产生光学游标效应的常用方法是将两FPI级联或并联,然而,目前常用的并联双腔结构中两F-P分别位于不同的光纤内,因此,增加了传感器的复杂性,不利于传感器小型化和集成化。针对该情况,本文利用悬浮芯光纤(SCMF)的纤芯位于气孔边缘的特点,在同一根光纤内实现了双腔并联,并使双腔产生了游标效应,大幅提高了温度传感器的灵敏度。具体的研究内容如下:提出并制备了一种基于SCMF与SMF错位熔接的SMF-SCMF-SMF三明治结构全光纤温度传感器。该传感器内的三个反射面构成了并联的空气腔和石英腔,且空气腔的自由光谱范围(FSR)约为石英腔的2倍,从而产生了二倍光程关系游标效应,其温度测量灵敏度得到放大。实验结果表明,并联双腔干涉谱呈明显的双包络现象,当外界温度逐渐增加时,干涉谱包络逐渐红移,在40℃-120℃的温度范围内,传感器的灵敏度约为135 pm/℃,比单个石英腔提高了11.54倍,该结果与仿真结果相符。提出并制备了SMF-MMF-SCMF-SMF结构全光纤温度传感器。该传感器是在SMF-SCMF-SMF三明治结构的基础上设计的,在输入SMF和SCMF之间增加了多模光纤(MMF),其目的是使信号光在MMF内扩束,从而降低输入SMF与SCMF之间的对准难度。其内三个反射面构成并联的空气腔和石英腔,并联双腔产生二倍光程关系游标效应,其干涉原理与SMF-SCMF-SMF结构相同。实验结果表明:相对于SMF-SCMF-SMF结构相同,MMF与SCMF之间错位控制精度要求降低,更易产生干涉谱;在40℃-120℃温度变化范围内,其灵敏度约154.29pm/℃,略高于SMF-SCMF-SMF结构,原因是该结构中并联双腔游标效应的放大倍率略高于SMF-SCMF-SMF结构。提出并制备了基于紫外胶填充SCMF的双腔并联温度传感器。首先,将SMF与一段SCMF错位熔接,使入射光在SCMF内分成两束光,分别在纤芯和气孔内传输;然后,在SCMF气孔内靠近SMF的一端注入适当长度的紫外线固化剂,并在紫外光照射下使其固化,从而形成并联的石英腔和紫外胶腔,其中石英腔的光程约为紫外胶腔的2倍。实验结果表明:并联双腔干涉谱呈现明显的双包络现象;当温度逐渐升高时,双腔干涉谱逐渐蓝移;在25℃-70℃温度变化范围内,传感器的温度灵敏度为998.47 pm/℃,比单个石英腔高约85.4倍,该结果与仿真结果基本相符。
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