【《SMS光纤传感器的分析进展概述》3800字】

SMS光纤传感器的研究进展概述如图1.2为SMS光纤结构的示意图，其由一段长度的多模光纤嵌入焊接在两段单模光纤之间构成。SMS光纤结构由于其简单的结构，低廉的成本和优越的传感性能在近年来得到了研究学者的青睐，得到了快速的发展，具体的研究进展情况总结如下。图1.2单模-多模-单模（SMS）光纤结构示意图20世纪末期开始，人们开始研究多模干涉理论及相关内容。早期时候，人们利用两路光场形成干涉，其中一路由多模光纤传输的光场，另一路是在自由空间中传播的光场，或者两路形成干涉的光场都是自由空间传播的光场。但是由于这样的干涉系统输出信号会受到产生的干涉条纹的影响，而对散斑场产生的条纹只能接受其中一个散斑，并没有发挥多模光纤自身优势。后来有人提出了干涉系统仅由一根多模光纤构成，并在其中同时传输信号光场与参考光场，这样，干涉信号和输出信号便可同时在输出端被接收。如此就形成了最初的SMS光纤结构[34]。直到现在，在国内外都有许多团队一直对SMS光纤结构进行研究。1997年，Denis等人通过对多模干涉理论的研究，首次提出可以将SMS光纤结构用于传感测量，并在两根单模光纤之间嵌入了一段多模光纤，研究制作出了一种高灵敏度的传感器。Denis在研究中利用SMS光纤结构进行微弯测量，实验结果表明该结构有很高的弯曲灵敏度。2004年以后，国内外众多学者开始对SMS光纤结构进行大量的深入研究，并取得显著科研成果，使得SMS光纤结构实现了多领域的应用。2003年，Mehta等人提出一种基于单模-多模光纤结构的位移传感器[35]，其工作原理是在光纤结构的自映像点放置一块反射镜，利用探测器监测通过反射镜后的光功率。当传感结构发生微位移时，探测器监测反射光的光功率会因反射镜偏离自映像点位置而发生改变，因此，可通过测量经反射镜反射后的光功率来监测微小位移。2006年，李恩邦教授在AppliedPhysicsLetters上报道了一种光纤温度传感器，该传感器基于多模干涉理论和自映像效应。随后，国内越来越多的学者开始关注SMS光纤传感结构，所设计制作的SMS光纤结构传感器也越来越多，传感范围也从最开始的应变、温度等物理量逐步扩展到液体温度、折射率、外界扰动等[36,37]。2007年，LiuYu在AppliedOptics上介绍一种基于SMS光纤结构的低损耗高灵敏度压力温度传感器[38]。2009年，SaurabhManiTripathi等人在JournalofLightwaveTechnology发表了他们的研究进展[39]。文章在理论上详细分析了当温度和压力这两个外界参量发生变化时，SMS光纤结构传输光谱的变化规律，而且还讨论了在使用不同掺杂多模光纤时，SMS光纤结构对温度及压力变化的不同响应结果。2008年，QianWang等人研究了一种SMS光纤结构，根据圆对称波导的单向导模传播分析方法对光的传播进行了建模，推导验证了近似公式的精度，并且利用推导出的近似公式，通过空间到波长的映射，给出了一种预测和分析光纤结构光谱响应的简便办法，对光谱响应进行了仿真上的预测和实验上的验证[40]。2009年，A.M.Hatta等人提出了一种利用简单的基于强度反馈系统进行温度测量的单模-多模-单模光纤结构。数值和实验研究了该结构的温度依赖性。发现在选定的波长下，SMS纤维结构具有很强的温度依赖性。在这种波长下的温度特性本质上是线性的，可以用于温度测量。该传感器的温度范围为50-200°C，高温分辨率约为0.2°C，与其他光纤温度传感器相比，所提出的温度传感器提供了高分辨率和精度，而且成本低，制备容易[41]。同年，李晨光等人提出了一种以多模光纤为实际的传感器元件的基于模式耦合理论的强度调制的扰动定位传感器。两个检测器接收光纤中的反向传播的光信号，扰动的位置将通过计算反向传播的光信号之间的时间延迟来定位。实验中的结构定位精度约为±100m。该设计方案可以实现精确定位，同时结构简单，检测距离长，因此可以部署到各种扰动检测应用中[42]。2010年，金勇等人提出了一种利用多模光纤作为辅助的倾斜光纤光栅折射率传感器，该传感器的结构原理图如图1.4所示。通过在单模光纤和倾斜的布拉格光纤光栅之间插入一小部分多模光纤制备而成。随着周围折射率的变化，包层模式中反射了不同的功率，而布拉格反射的模式功率保持不变。折射率单位灵敏度达到28.5μw/RIU，该折射率传感器在生物检测领域具有很大的潜在应用空间。图1.4倾斜光纤光栅级联的SMS光纤折射率传感器[43]2011年，王鹏飞等人提出对标准SMS光纤结构中的多模光纤利用CO2激光器激光光束进行拉锥处理，将多模光纤的直径从125μm变为只有几十个微米，成功制备出了一种单模-拉锥多模-单模的光纤结构，如图1.5所示为该光纤结构的原理图。多模光纤经过拉锥处理后可以大幅度的增强传输光的倏逝场强度，也就达到了提高传感性能的目的。这种单模-拉锥多模-单模的光纤结构可以制备成为高灵敏度的折射率计，在1.33-1.44RIU的折射率范围内的灵敏度为1900nm/RIU。图1.5单模-拉锥多模-单模光纤结构原理图[44]2011年，吴强等人提出一种新型光学耦合装置，如图1.6所示为该耦合装置原理图。通过将标准SMS光纤结构与长周期光纤光栅平行靠近摆放的方式，使得标准SMS光纤结构在单模光纤和多模光纤界面激发出的包层模式的倏逝场与长周期光纤光栅激发出的包层模式的倏逝场进行有效的耦合。通过数值计算得出，在理论上这种新型光学耦合装置的耦合效率最大可以达到27.5%。实验中也完成了这种新型光学耦合装置的制备工作，测得实际耦合效率为1.66%。图1.6长周期光纤光栅与标准SMS光纤结构之间的耦合装置[45]同年，吴强等人提出了一种使用氢氟酸进行化学腐蚀的SMS光纤结构，并系统地研究了化学腐蚀处理后的具有不同直径大小的多模光纤的折射率传感性能[46]。化学腐蚀处理后的SMS光纤结构的原理图如图1.7所示。该折射率传感器的结构和标准SMS光纤结构相类似，区别在于使用氢氟酸将该传感器的多模光纤包层除去，使得多模光纤的纤芯裸露出来。在这项工作中，研究人员使用浓度为48%的氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀，通过控制氢氟酸浸泡多模光纤时间的长短来得到多模光纤大小不同的直径。经过腐蚀后的多模光纤纤芯直接与外界环境接触。实验表明经过化学腐蚀后的SMS光纤结构的折射率灵敏度为1815nm/RIU（1.334-1.437RIU）。根据实验结果进行推测，多模光纤的直径越小就可以提供越高的测量灵敏度。图1.7氢氟酸化学腐蚀的SMS光纤结构原理图[47]2013年，天津理工大学的杨娇构建了一个SMS光纤结构，并将一段纤芯直径较大的多模光纤去除包层后嵌入结构中，完成对所处液体温度及液面高度的测量。在光谱的三个波谷位置温度灵敏度分别为66pm/ºC、139pm/ºC、31pm/ºC，并且实验还测量对比了不同液体对液面高度测量灵敏度的影响，发现盐水的液位灵敏度高于水的液位灵敏度，实验所得液位灵敏度最高可达到-121.5pm/mm[48]。2014年，WeiHan等人提出了一种错芯SMS干涉仪，并且利用这种结构成功同时测量了液面的高度和温度[49]。2017年LinShe等人提出将标准SMS结构中的多模光纤替换成硫系多模光纤，利用这种结构进行温度测量。由于硫系多模光纤拥有比标准多模光纤更高的热光系数，因此达到更好的温度传感性能。在20℃-100℃的实验中测得的平均灵敏度可达到84.38pm/℃。2015年，S.L.Pu等人提出并设计了一种磁流体包覆“无芯-单模-无芯”光纤结构的磁场传感结构[50]。单模光纤的包层模式被无芯光纤激发后，与纤芯结合在一起。实验结果表明，随着外部磁场的增加，特征波长向长波一侧移动，在1462nm和1477nm波长附近获得的磁场灵敏度分别为67.28pm/Oe和49.82pm/Oe。随着温度的升高，特征波长向短波长侧移动，在1462nm相应的灵敏度为37.8pm/°C。所提出的传感结构具有制造容易，灵敏度高的优点，有很大的实用前景。2018年，王先帆等人提出了一种湿度测量传感器，该传感器是利用单模－侧抛多模－单模光纤结构进行制备。课题组成员通过改变侧抛多模光纤表面的粗糙度，实现了高温环境下对湿度的测量[51]。同年，王先帆等人在光纤侧抛结构的基础上提出了一种新型的平板型多模波导结构，并进一步分析了这种平板型多模波导结构的折射率传感特性[52]。如图1.8（a）所示为平板型多模波导的结构。课题组成员们对SMS光纤结构的多模光纤进行了平行的双面抛磨处理，如图1.8（b）所示为制备出的平板型波导结构，通过实验结果证明了由平板型的多模波导结构构成的SMS光纤结构可以达到比标准SMS光纤结构更高的折射率测量灵敏度。图1.8（a）双面侧抛SMS光纤结构原理图（b）双面侧抛多模光纤截面图[53]同年，田可等人提出一种被酒精包裹的单模-无芯-单模的光纤结构温度传感器，传感器的结构原理图如图1.9所示。在该研究中，无芯光纤被用作多模光导，酒精作为温度敏感介质。实验中将酒精溶液封装在石英毛细管中，并将其套在无芯光纤上，使用紫外胶将毛细管的两端进行固化封装处理，以防止酒精溶液的泄露和挥发。由于外界环境的变化会使酒精溶液的折射率发生变化，以此使无芯光纤内的多模干涉效应发生改变，可以通过监测特定波长下的传输损耗改变来检测周围温度的改变。因为酒精比SiO2拥有更高的热光系数，所以该结构对于温度变化非常敏感。理论分析和实验都证明了该结构具有良好的温度传感性能，该温度传感器的最大温度灵敏度为0.49dB/℃，在1545.9nm的工作波长下的温度分辨率为0.02℃，温度响应时间为3-6s。图1.9酒精浸入的单模-无芯-单模光纤结构原理图[54]2020年，LingChen等人提出一种超高灵敏度的光纤生物传感器，用于检测灭活金黄色葡萄球菌。该光纤生物传感器由一个单模光纤-拉锥双无芯光纤-单模光纤结构所构成[55]。与传统的拉锥光纤相比较，该拉锥区域为两个无芯光纤拉锥形成的耦合器，锥腰直径粗于一般拉锥光纤，约为