具有特征波长的双模和双芯光纤及其干涉传感器的研究

This project will study a sort of special dual-mode and two-core fibers with critical wavelength in their transmission spectra, and various fiber sensors including temperature, strain, curvature, and refractive index, etc., based on such sort of fibers. Different from the interferometers based on conventional fiber, a turning point will appear in the curve of the difference of the propagation constants of the two interferring modes vs. optical wavelength. So, there is an recognizable wavelength called 'critical wavelength' exsited in the.transmission spectrum of the in-line type Mach-Zehnder interferometr based on these fibers. We firstly propose to do a systematical study of the design and fabrication of these special dual-mode and two-core fibers, reveal the principle of the critical wavelength change with various physic parameters to be measured such as temperature, strain, bending, refractive index, etc., and in the first time start the investigation of a series of novel sensors based on the detection of critical wavelength. The proposed novel sensors and detection scheme can overcome the signal detection problem met by the interferometric sensor based on conventional fiber, richen and widen the types of sensor fibers and interference detection method already existed, have significance both in the theoretical study and practical applications.

本项目将研究一类具有特征波长的特殊双模和双芯光纤、以及基于这类光纤特征波长变化的温度、应变、弯曲、位移与折射率等传感器。与采用常规光纤的干涉仪不同，这类光纤中两个干涉模式的传输常数差在某一波长处会出现拐点，因此基于这类光纤的共线式(in-line)Mac.h-Zehnder干涉仪在其传输谱中存在一个可标识的特征波长。本项目将系统地研究这类双模和双芯光纤的设计与制作，揭示特征波长随一系列物理量（如温度、应变、弯曲、折射率等）的变化规律，并首次开展一系列基于特征波长检测的新型光纤传感器。本项目提出的这类新型光.纤及传感器可以克服常规的光纤干涉仪在信号解调方面存在的难题，丰富和拓展现有的传感光纤及干涉检测技术，在理论研究和实际应用方面均有较大意义。

本项目针对现有光纤模式干涉式传感器存在的问题，提出新型具有特征波长的少模光纤、以及双芯光纤传感器，并详细深入地研究了它对多种物理量的传感特性。主要研究内容和重要结果包括：新型少模和双芯光纤的设计、分析，基于特殊少模光纤的温度、压力、应变、折射率、湿度的测量，采用特殊少模光纤的传感器灵敏度和多参数同时测量研究，基于游标效应的高精度干涉仪腔长确定和传感器灵敏度增强新方法研究等。关键数据包括可以实现基于特征波长的大温度范围（常温、低温至~1000°C高温）、大压力范围（0~100MPa或更高）的、灵敏度增强、以及高精度的测量，大大降低了传感器封装、结构设计制作、光波长信号检测和跟踪、信号处理等方面的难度，实现高灵敏度的多参数同时测量。本项目研究的科学意义在于提出和开创了一类新型基于模式干涉原理、具有特殊光谱特性的少模和双芯光纤，研究了它们的传输和传感特性、以及实现不同参数同时高灵敏度测量的新方法，丰富和发展了新型光纤、以及基于模式干涉特征波长和游标效应的干涉式光纤传感新方案和新方法，为新型光纤和性能优异的光纤传感器设计制作以及检测技术开拓了新的思路和方法，为这种新型光纤传感器和检测技术在不同领域的应用打下坚实基础。