基于细光纤In-Line MZI的设计与传感特性研究

• 作 者: 刘伟
• 出 处: 安徽大学
• 发表日期: 2020年07期
• 关键词: 光纤传感器 光纤内嵌马赫-曾德尔干涉仪 细光纤 折射率 同时测量

光纤内嵌马赫-曾德尔干涉仪（In-line fiber Mach-Zehnder interferometer,In-line MZI）相对于传统光纤传感器,具有灵敏度高、结构紧凑、成本低廉等优点,近年来得到了国内外的广泛研究。In-line MZI一般由普通光纤或特种光纤通过拉锥、烧球、错位熔接、侧面抛磨等微纳加工方式制作,然后利用光纤模间干涉实现对折射率、温度、应变等环境物理量的测量。本文设计并提出了基于薄包层特种光纤的新型In-line MZI,并利用模式理论分析了其干涉原理。通过光束传播法数值仿真了各参数对传感性能的影响,根据仿真的优化数据制备了干涉仪并实验验证了其传感特性。主要研究内容与成果如下:1.提出了一种基于细光纤与光纤球级联结构的新型In-line MZI,用于液位、折射率、温度和轴向应变的测量。利用光束传播法数值模拟了干涉仪的光谱特性,为实验提供了理论基础。实验选择合适的细光纤长度和纤芯错位量得到了消光比大于26 dB的干涉光谱,通过测量干涉谷的波长位移研究了干涉仪的传感特性,并结合灵敏度系数矩阵实现了多参量同时测量。实验结果表明该In-line MZI的最高折射率、液位、温度和轴向应变灵敏度分别为-131.7092 nm/Refractive Index Unit（RIU）、-120.7 pm/mm、0.0390nm/℃和-4.84×10^-4 nm/με。2.提出了一种基于超细光纤-细光纤-超细光纤级联结构的新型In-line MZI,用于折射率和温度的同时测量。数值模拟与实验测试了各参数对干涉仪光谱特性的影响,根据模拟优化结果,选择合适的光纤长度得到了理想的干涉光谱,并通过测量两个干涉谷的波长漂移研究了干涉仪的传感特性。实验结果显示两个干涉谷对折射率和温度的波长响应不同,表明该In-line MZI可以实现折射率和温度的同时测量,实验测得的最大灵敏度分别为-169.0879 nm/RIU和0.0464 nm/℃。基于以上理论分析、数值模拟和实验研究结果,本文提出的In-line MZI具有成本低、制作简单、结构紧凑、机械性能强、折射率和液位灵敏度高等优点,在食品安全、医疗诊断、环境质检、石油化工等领域中具有良好的应用前景。