基于级联萨格纳克和法布里-珀罗干涉仪的游标效应多参数传感 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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基于级联萨格纳克和法布里-珀罗干涉仪的游标效应多参数传感
作者: irglass 时间: 2024-06-16 浏览:226 次

       近日,我室研究生程奥(第一作者),戴世勋研究员(通讯作者)在Sensors Journal期刊发表了题为“Multi-parameter Sensing of the Vernier Effect Based on Cascaded Sagnac and Fabry–Perot Interferometers”的论文(IF=4.3)。文章链接:DOI:10.1109/JSEN.2024.3389745.

       光纤传感器由于具有重量轻、尺寸小、抗电磁干扰等独特优势,它们被广泛应用于生物制药、医疗诊断、环境科学和微电子行业。近些年,基于干涉型光纤传感器(马赫增德尔干涉(MZI),法布里珀罗干涉(FPI),萨格纳克干涉(SI),迈克尔逊干涉(MI))由于具有较高的传感灵敏度、超快的响应速度以及动态检测范围,是目前的国内外研究最为广泛的光纤传感器。同时为了提高干涉型光纤传感器传感灵敏度,通过将两种干涉效应进行有效叠加产生的光学游标效应可以进一步改善光纤传感器的传感性能。在以往的研究中,通过利用空芯毛细管光纤(HCF)独特的单环结构,对双MZI或双FPI级联传感器进行了广泛的研究,其中包括:温度、气体含量、高压、应力、倾斜度和湿度,折射率以及生物分子检测。基于保偏光纤(PMF)优越的双折射特性产生SI进行平行级联构成的双SI干涉传感器可以实现对温度和应变的高灵敏度检测。这种相似的平行干涉结构虽然能实现较高的传感灵敏度,但单一化和相似的干涉传感结构也阻碍了其在多参数测量的传感应用。因此,通过采用两种混合干涉形成的游标效应光纤传感传感器不仅有效提高传感灵敏度,也进一步利用不同光纤结构特性形成传感优势互补,从而提高光纤传感器的应用多元化。

       在这项工作中采用单模光纤-空芯毛细管光纤(HCF)表面涂覆氧化石墨烯(GO)-单模光纤构成的FPI以及单模光纤-保偏光纤(PMF)-单模光纤构成的SI所搭建的混合干涉游标效应多参数传感系统如图1所示。图2(a-c)分别显示了两种干涉光谱以及游标效应的叠加光谱图。结果表明,波长范围在1530-1600nm,FPI和SI的自由光谱范围(FSR)分别为1.97nm和1.89nm,两种混合干涉叠加的游标光谱FSR为47.37nm(理论FSR为46.541nm)。在温度和应变测量中,PMF作为传感臂构成的SI分别放置在温湿度箱以及应变装置中,测得温度灵敏度为-9.689nm/℃应变灵敏度为0.0505nm/με;在湿度测量中,将单一的FPI(无游标效应)以及基于两种混合干涉的游标效应传感器分别放置在温湿度箱中,如图3和图4展示出在相对湿度处于30%-80%范围内湿度灵敏度为0.00934nm/%RH和0.16nm/%RH,两者相差17.13倍。该工作可以适用于井下系统检测和农业检测,具有良好的实际应用价值。

图 1 两个混合干涉构成的多参量传感的实验装置

图 2 (a) FPI反射光谱;(b) SI透射光谱;(c) 叠加游标级联光谱

图 3 单一FPI不同湿度环境下光谱图

4 (a) FPI为传感臂在不同湿度环境下光谱图;(b) FPI湿度拟合曲线