基于双芯光纤定向耦合的双参数传感技术

This project would investigate the dual-parameter sensing technology based on the twin core fiber (TCF) directional coupler, which mainly focus on the dual-parameter sensing of temperature and bending, dual-parameter sensing of refractive index and liquid level.The theoretical researches include: (1)establishing the coupled mode theory of the TCF with periodical tapers and TCF with side notch, respectively; (2)illuminating the physical mechanism of dual-parameter sensing based on TCF directional coupler, specify the relationship between coupling length of TCF, the effective index of odd/even mode and temperature, bending, refractive index, and liquid level; (3)optimizing the parameters of the periodical taper including the period, duty factor, beam waist, and the number of taper; optimizing the position,depth, width and length of side notch of TCF. Main experimental researches include: (1)periodically tapering by means of electric arc discharge technique and side notch by means of fetosecond laser micro-machining; (2)simultaneously characterizing temperature and bending based on TCF with periodical tapers; (3)simultaneously characterizing of refractive index and liquid level based on TCF with side notch; (4)designing and establishing an intensity modulated sensing system. The investigated dual-parameter sensors based on TCF would find applications in the detection system and early warning system including the bridge, dam, building, mine, mechanical arm, intelligent artificial limb and environment pollution.

本项目拟研究基于双芯光纤定向耦合的双参数传感技术，主要研究温度、弯曲的双参数传感，折射率、液位的双参数传感。在理论研究方面，建立周期性拉锥双芯光纤和侧面开槽双芯光纤的定向耦合理论，阐明利用双芯光纤定向耦合实现双参数传感的物理机制，明确双芯光纤的耦合长度、奇模/偶模的有效折射率与温度、弯曲、折射率和液位的关系，设计并优化周期性拉锥的周期、占空比、束腰直径、拉锥数量，侧面开槽的方位、深度、宽度和长度等参数。在实验研究方面，（1）利用电弧放电和飞秒激光微加工分别对双芯光纤周期性拉锥和侧面开槽；（2）研究基于周期性拉锥双芯光纤的温度、弯曲双参数传感；（3）研究基于侧面开槽双芯光纤的折射率、液位双参数传感；（4）设计并搭建基于强度解调的传感测量系统。本项目研究的基于双芯光纤定向耦合的双参数传感器在桥梁、建筑物、矿井、机械手臂、环境污染、生物化学等领域的监测和预警中具有潜在的应用价值。

光纤传感技术在桥梁、大坝、建筑物、矿井、机械手臂、智能假肢、生态环境、生物化学等领域的监测和预警中具有广泛的应用，在实际的传感应用中，外界参数（温度、应力、弯曲、折射率、液位、电流、磁场等）的改变通常不止一个。因此，多参数同时传感已成为光纤传感领域的重要研究课题之一。本项目借助电弧放电技术、二氧化碳激光和飞秒激光加工技术中，制作了光纤光栅、光纤干涉仪等微结构光纤功能器件，实现了多种光纤传感器。具体而言，本项目实现了三种光栅制备方法，包括周期性拉锥、周期性电弧放电以及二氧化碳激光器周期性二维扫描光纤等。基于电弧放电周期性拉锥的长周期光纤光栅，其插入损耗小于1dB，谐振峰深度30 dB，周期性拉锥的重复误差小于0.3 微米；基于电弧放电逐点写入长周期光纤光栅的全自动制备技术，该技术在单模光纤上制备30 dB的长周期光纤光栅仅需要30次放电；在光子晶体光纤上制备谐振峰为20 dB深的长周期光纤光栅仅需要60次放电；基于二氧化碳激光周期性二维扫描空芯光子晶体光纤制备长周期光纤光栅，其光栅深度大于10 dB。本项目实现了两种双参数传感器，包括光栅与液体填充的光子晶体光纤相结合实现了温度和折射率双参数传感，温度灵敏度达到1.695 nm/℃，折射率变化与波长漂移呈现反比例关系，基于侧面抛磨D型光纤实现了温度、应变双参数传感，温度灵敏度达到29.37 dB/℃，轴向应力灵敏度达到2 pm/微应变。本项目是实现了一种基于光栅谐振峰和逆向算法的光纤参数测量方法，测定某一单模光纤的纤芯半径为4.18 微米，纤芯二氧化锗掺杂量为2.72%。本项目实现了一类基于空芯光子晶体光纤制备光栅的气体压力传感器，灵敏度从137pm/Mpa提高到1.3nm/Mpa。本项目提出一种基于强度测量的双芯光纤弯曲传感器，双芯光纤的两个纤芯之间存在光强的相互耦合，与单模光纤熔接形成一段定向耦合器。当双芯光纤发生弯曲时，内侧纤芯受到挤压，折射率增加，外侧纤芯受到拉伸力，折射率减小。折射率的这种改变使得某一波长的耦合强度发生变化，通过测量固定波长处功率的改变实现了双芯光纤弯曲测量。