基于少模光纤组合传感器的温度及折射率传感特性研究

摘要

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性,提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪,再在FMF上刻制FBG,通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。首先分析了组合传感器的传感原理,由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变,从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动,因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量,实现对待测参数的测量。然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响,FMF越长,干涉光谱越明显,自由光谱范围FSR越小,为了便于观测组合传感器的整体光谱,最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。实验所用FMF可稳定传输LP01,LP11,LP21和LP02四种模式,通过对比分析不同模式间的干涉和耦合,确定此组合传感器的干涉光谱是由LP01-LP11干涉形成,FBG透射谱是由LP02-LP02,LP11-LP11,LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。最后进行温度和折射率的传感实验,结果表明,随着外界温度的升高,SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移,而FBG透射谱发生红移,其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃-1,线性度良好;将FMF包层直径腐蚀至22μm,在1.366~1.455的折射率变化范围内,组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动,灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU-1。该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化,提高了检测准确度,减小测量过程中出现的偶然误差,结构简单新颖、灵敏度高、易于制备,且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性,使得传感变得更加灵活方便。