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纤芯调制型光纤传感器的制备与传感特性研究

摘要

近些年来，各种类型的光纤传感器被设计出来，并广泛应用于结构健康监测、生物

医学、航空航天等领域。其中，纤芯调制型光纤传感器作为光纤传感器的一个新兴分支，

以其特性优良、集成度高等优势，在应变、扭转、磁场等参数测量方面有着巨大的发展

潜力。但是，以往的纤芯调制型光纤传感器的设计均存在制备工艺复杂、结构较长、机

械性能弱等问题。因此，该类型传感器的设计仍需要深入研究。本研究根据现存问题，

以光纤纤芯的调制为基础，设计了两种纤芯调制型单模-多模-单模（Single-mode-

Multimode-Single-mode,SMS）光纤传感器。

制备这两种结构的关键流程在于利用高频CO激光束对SMS结构中多模光纤

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（MultimodeFiber,MMF）的包层上蚀刻出具有一定几何形状的预处理结构，再利用高

温氢氧火焰加热拉伸的方法，使得多模纤芯发生形状的调制改变。第一种设计为波浪型

纤芯结构的SMS光纤传感器(WavedCoreSingle-mode-Multimode-Single-mode,W-SMS)，

该结构的多模纤芯被调制成连续的波浪形状，同时显著变形的纤芯使得高阶包层模式被

激发出来，增强了该处的有效折射率调制。结果表明：波浪纤芯的引入显著提升了其

应变传感特性，相邻谐振峰的最高应变灵敏度为88.5pm/με和125.5pm/με。温度灵敏度

分别为-33.4pm/℃和-195.7pm/℃，可以实现应变与温度的同时测量。第二种设计为类螺

旋型纤芯结构的SMS光纤传感器（Helix-styleCoresinglemode-multimode-singlemode,

HS-SMS)，其与S-SMS设计的区别在于CO激光束对多模包层进行四个不同方向的蚀刻，

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使得纤芯发生弯曲调制的同时，纤芯沿着光纤的轴线方向螺旋前进。当类螺旋纤芯当受

到扭转施加时，所产生的剪应力会使不同方向的弯曲芯的弯曲程度以及所处平面之间的

角度发生变化，使得纤芯和包层的有效折射率随之变化。由此，该结构可以实现扭转方

向的判别。结果表明：其扭转灵敏度可高达1.139nm/(rad/m)。并且两个谐振峰分别具有

28pm/℃和24pm/℃的温度灵敏度，可以实现扭转-温度参数的同时测量。

通过对SMS光纤结构中MMF部分进行纤芯调制的设计，可以使该结构对不同参数

的测量表现出较高的灵敏度，且调制形状的设计思路灵活，开发应用性较强。这种新型

的制备方法也使得该类型光纤结构具有较强的机械性能和紧凑的尺寸优势。因此，所提

出来的纤芯调制型SMS光纤传感器在未来的实际工程应用中具有很大的发展潜力。

关键词：SMS光纤结构；光纤应变传感器；光纤扭转传感器；纤芯调制

纤芯调制型光纤传感器的制备与传感特性研究

Abstract

Inrecentyears,variouskindsoffiberopticsensorshavebeenproposedandarewidely

usedinhealthmonitoring,oceanexploration,biomedicineandotherfields.Asanewbranchof

fiberopticsensor,coremodulationfibersensorhasbeenfavoredbymoreandmoreresearchers

becauseofitsexcellentsensingcharacteristics,highintegration.Ithasdevelopmentpotential

inthemeasurementofstrain,torsion,bendandmagneticfield.However,thepreviousdesigns

offibercoremodulatedfiber