随着光纤传感器在当今社会中的作用越来越重要,不断提高光纤传感器的性能已经成为一种必然趋势。多芯光纤由于其具有特殊的结构,往往可以实现较好的传感性能,而且还能满足特殊的传感需求。本博士论文依托国家自然科学基金,对新型多芯光纤微结构的制作和多芯光纤传感器的应用进行了深入研究。论文的主要研究工作与创新点总结如下:1.采用全固态的双芯光纤制作了一种新型T-型锥结构的马赫-曾德尔干涉仪,该传感器的制作过程简单,适合用于微型传感应用。利用商用熔接机在双芯光纤和单模光纤之间制作了新型的T-型锥,由于双芯光纤中存在光束的多路干涉,可以利用这种模式干涉实现传感参量的测量。分别研究了传感器不同峰值处的折射率、应变和温度响应特性。对于折射率测量,在1.3388到1.3908的折射率变化范围内,折射率每变化1%就有2.4 nm的最大波长漂移。对于应变测量,该传感器最大的应变灵敏度为4.61 pm/με。而且,该传感器的温度稳定性较好,在30°C到80°C的温度变化范围内,温度灵敏度为0.002 nm/°C,这将有利于实现折射率和应变更精确的测量应用。2.研制了一种基于双芯光纤的微型光纤应变传感器,并进行了实验验证。在T-型锥结构光纤传感器基础之上,利用切割刀在双芯光纤结构中间进行切割,把其中一段双芯光纤旋转90°后重新熔接,制作的新型光纤传感器获得了优化的干涉光谱。这是针对双芯光纤的特殊结构,提出一种改进传感器性能的技术方法。实验结果表明,改进后的传感器结构具有更好的应变传感灵敏度,不同应变条件下,波长灵敏度和强度灵敏度分别为6.11 pm/με和9.9×10^-3 d B/με,传感器的温度稳定性也较好,变化的温度对应的波长灵敏度约为0.69 pm/°C,强度灵敏度约为0.0053d B/°C。此外,提出的这种制作新型T-型锥的技术,可重复性强,为不同类型多芯光纤微结构的制作提供了有效途径。3.研制了一种基于四芯光纤的新型折射率传感器,四芯光纤中有一个熔锥结构,这种熔锥结构有效增强了光纤传感器中的模式干涉。在实验中,分析了不同光纤参数对传感器性能的影响,发现熔锥结构对于传感器的折射率传感灵敏度有明显增强作用。通过测试,获得传感器的最大折射率传感灵敏度为171.2 nm/RIU,对应的折射率分辨率为2.92×10^-4 RIU。此外,通过减小锥结构的尺寸,可以提高传感器的灵敏度,从而满足更多的应用场景,如高灵敏度的化学传感或生物传感。4.提出了一种基于腐蚀双芯光纤的紧凑型折射率传感器,腐蚀双芯光纤是将光纤浸入到氢氟酸水溶液中进行包层的腐蚀而成。数值仿真表明,只有包层模式与周围环境有较强的相互作用,且较高的包层模式对外部介质更敏感。在实验中,对传感器不同的损耗峰值处的折射率响应特性进行研究,并在1.3388～1.3981的折射率范围内,折射率每变化1%,获得最大的波长漂移为3.51 nm。对传感器的温度特性进行研究,发现该传感器的具有较低的折射率-温度交叉灵敏度,约为1.06×10^-6 RIU/°C。实验结果表明,腐蚀双芯光纤对提高传感器的折射率灵敏度具有重要作用,这将为设计和优化折射率传感器的传感特性提供了有益的参考。在后续研究项目中将进一步探索这种情况,并将涉及更多类型的多芯光纤。该传感器制作简单,具有较低的温度交叉灵敏度,在生物化学领域具有良好的应用前景。5.设计了一种新型的光纤传感器,传感头是由一小段双芯光纤熔接在两段多模光纤中间制作而成。当光束从单模光纤传输到多模光纤中时,会激发出多种高阶模式,这些高阶模式会继续传输到双芯光纤中,这会增强传感器结构中的模式干涉,有助于提高传感器的传感性能。通过实验测试,获得最大的折射率灵敏度为125.5 nm/RIU,应变灵敏度为3.11 pm/με。在30°C到90°C的温度变化范围内,波长漂移量为0.76 nm,温度灵敏度为13.36 pm/°C。研制的传感器在波长漂移的拟合上均表现出良好的线性特性。6.提出并用实验验证了一种由七芯光纤和少模光纤组成的微型光纤温度传感器。在少模光纤部分,少量模式被激发出来并继续在七芯光纤中传输。该传感器中的干涉较强,并获得最高为27 d B的消光比。实验研究了该传感器的温度响应特性,在25°C到110°C的温度范围内,传感器的温度灵敏度为91.8 pm/°C。对传感器的快速傅里叶变换后的频谱响应进行了研究,随着温度变化,该传感器频率振幅相应的灵敏度为1.57×10^-2 a.u./°C。由于该传感器的制作过程简单方便,具有良好的传感应用前景。7.研制了一种基于双芯光纤的新型法布里-珀罗干涉仪,并通过实验验证了其可用于微位移的传感探测。将传感器安装在位移平台上,随着反射光纤在不同方向移动,可以通过测试不同的反射光谱,获得干涉仪的变化情况,实现传感测量。在实验中,我们获得了在X-轴、Y-轴和Z-轴方向上的不同位移灵敏度,当传感器在Y-轴方向位移时,传感器获得了最大的传感灵敏度为0.954 nm/μm,对应的位移分辨率为0.052μm。利用传感器在不同位移方向上传感灵敏度的差异性,该传感器具有实现多维度微位移传感的应用潜力。8.制作了一种基于七芯光纤的新型温度传感器。利用硅橡胶把两段七芯光纤封装在玻璃毛细管中组成F-P腔结构,并以此作为传感头。在实验中,详细分析了不同腔长状态下的反射光谱,并利用这种特性实现传感探测。通过实验数据的分析,得到了获得了传感器的温度传感特性。9.提出了一种获取多芯光纤几何参数的图像处理方法。根据多芯光纤的特点,利用Matlab对多芯光纤的截面图进行处理,该算法主要包括以下步骤:滤除图像噪声、边缘检测、使用适当的阈值进行边界提取和改进的曲线拟合算法重建截面。然后,得到了以像素为单位的多芯光纤的相对几何参数。对不同的边缘检测算子进行了比较,分析了各种检测结果,为边缘检测提供了有意义的参考。结合数字图像处理技术自动化分析光纤参数将是一种重要的前沿趋势,这对于多芯光纤设计和分析具有重要价值。