基于布里渊效应的微纳光纤传感机理研究

Brillouin scattering is one of the nonlinear effects caused by the interaction of acoustic fields and optical fields in materials. The refractive index, density and elastic modulus of the medium can be calculated by using Brillouin frequency shift. Thus, it has advantages in sensing applications of biology, chemistry and engineering fields. Optical fiber is an optical wave guide with high nonlinear coefficients. Brillouin scattering can be motivated effectively in optical fibers. However, in conventional optical fibers, the optical wave is confined in the core and hence not sensitive to parameters such as refractive index and density of the environmental mediums. In this project, Brillouin effect in micro/nano fiber will be studied, and the relationship between the parameters of the Brillouin gain or spectrum shape and the factors such as refractive index and the density of the medium will be analyzed. The Brillouin based sensing to these parameters will be demonstrated as well. In the research of this project, Brillouin optical fiber sensor is expected to be used in measurement of the refractive index and the density of gas or liquid, and it is supposed to break the application limitations of conventional techniques, offering theory and technology support to implement micro/nano fiber based sensors with broad applications in multi-areas.

布里渊散射是介质声场与光场相互作用产生的非线性效应。通过分析布里渊频谱特性可以获取介质的折射率、密度和弹性模量等参数。因此它在生物、化学、工程等领域的传感应用中有独特优势。光纤是一种具有高非线性的波导材料，能有效激发布里渊散射。然而由于传统光纤的光波导被限制在纤芯内，不能对周围环境介质的折射率、密度等参数进行感测。本项目拟通过微纳光纤中布里渊效应的研究，分析微纳光纤物理参数与布里渊效应增益系数及频谱特性之间的关系，阐明环境介质折射率和密度等参数变化对布里渊频移和频谱形状的影响，并探索基于微纳光纤的布里渊效应在折射率、密度等传感中的应用。本项目的研究突破传统技术的限制，开展布里渊光纤传感技术在气体或液体折射率和密度传感的应用研究，为实现多领域通用的微纳光纤传感提供理论依据和技术支持。

布里渊散射是介质声场与光场相互作用产生的非线性效应。光纤是一种高非线性的波导材料。当它的直径降低至微米量级时，其中的声光耦合模式会发生改变，从而引起布里渊散射谱的变化。我们围绕微纳尺度光纤中的布里渊散射及其传感应用问题开展了一系列研究。我们分析了光纤结构对布里渊频谱特性的影响。在一些具有微结构的光纤中，布里渊散射频谱具有区别与传统光纤的一些特点。这些微结构使得声光传输常数发生改变，每个模式独立激发出对应的散射峰，使得布里渊频谱呈现多峰的结构。当光纤直径下降至2微米时，布里渊频谱表现出与具有微结构的晶体光纤中类似的多峰结构，但是其频移要小于晶体光纤中的情况。通过进一步的理论仿真发现，微米光纤中的多峰结构主要来自于声波的横波和纵波之间的耦合导致的声波群速度下降。同时由于微米光纤直径非常小，与声波的波长接近，激发出的混合声波模式受到的外界环境影响更大，这对制备高灵敏度的传感器具有重要意义。我们对每个布里渊峰的频移特性进行了进一步分析，发现不同模式对应的峰对相同物理量的相应具有很大区别，利用这一特性，我们实现了多物理量的同时测量。该项目的完成拓展了布里渊传感器以及微纳光纤的应用领域。