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单孔光纤传感器件设计及其应用研究

摘要

光纤传感器以其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、易于集成等优点，已被广泛应

用于航空航天、桥梁建筑、工业生产、生物医疗等诸多领域。但随着各领域研究的不

断深入，基于传统单模光纤的光纤传感器已无法满足日益增长的测量精度、探测极限

以及传感参量种类等需求。特种光纤的出现，为新型光纤传感器件的研发注入了新的

活力。特别是微孔光纤，其天然空气孔道的结构特点，使得微孔光纤传感器件在流体

传感以及与功能材料相结合方面具有传统单模光纤传感器无法比拟的优势。相较于其

它微孔光纤，单孔光纤具有更为简单的几何结构。这就减小了光纤的制备工艺难度，

降低了生产成本，使得单孔光纤更具有实用价值。本论文利用了单孔悬挂芯光纤和单

孔双芯光纤两种单孔光纤，设计制备了光纤光栅、光纤干涉仪和定向耦合器等光纤器

件，并应用于多种物理参量的传感测量，对推动光纤传感技术的发展具有重要意义。

本论文的主要研究内容包括：

1、基于单孔悬挂芯光纤设计制备了布拉格光栅折射率传感器。分别采用相位掩模

法和飞秒激光直写法在单孔悬挂芯光纤的纤芯上写入光纤布拉格光栅，并应用于折射

率传感。相较于相位掩模法制备的传感器，采用飞秒激光直写法逐点制备的传感器具

有更高的传感灵敏度。该传感器在折射率1.41~1.44的范围内，折射率灵敏度为14.24

nm/RIU。另外，由于单孔悬挂芯光纤的纤芯偏离几何中心位置，此传感器可以用于一

维的弯曲传感。在1~4m-1的曲率范围内，传感器的最大弯曲灵敏度为-146.6pm/m-1。

2、利用单孔悬挂芯光纤的空气孔结构，采用光纤精确切割和熔接技术，通过熔接

单孔悬挂芯光纤、单模光纤、空芯毛细管制备了法布里-珀罗干涉仪。并通过串联腔长

近似的开放腔法布里-珀罗干涉仪和封闭腔法布里-珀罗干涉仪，制备了一个具有游标放

大效应的高灵敏度气压传感器。在0~2.2MPa的气压范围内，该传感器具有高达-44.31

nm/MPa的气压灵敏度和低至-0.6KPa/℃的温度交叉灵敏度。设计的气压传感器测量范

围大、灵敏度高、温度交叉串扰小。

3、设计并制备了一种基于单孔悬挂芯光纤的双模马赫-泽德干涉磁场传感器。采

用错位熔接的方式将单孔悬挂芯光纤两端与单模光纤熔接在一起，同时激发悬挂芯光

纤中的LP模和LP模，形成纤芯内的模式间干涉。利用高频CO激光器在悬挂芯光

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纤两端制备微孔以构建微流通道，并向其中填入了磁流体。利用磁场对磁流体折射率

的调制，改变纤芯中两个模式之间的有效折射率差，从而实现对磁场的传感测量。基

哈尔滨工程大学博士学位论文

于LP01模和LP11模的双模干涉使得传感器具有更加简单的干涉光谱和空间频谱，降低

了后续的解调难度，增强了传感器的实用性。

4、基于单孔双芯光纤设计并制备了一种应用于NaCl溶液盐度和温度测量的双参

量传感器。通过与单模光纤的错位熔接，将双模马赫泽德干涉仪和定向耦合器集成在

了一段长度仅为16mm左右的单孔双芯光纤上。单孔双芯光纤的中心芯和悬挂芯在相

位匹配波长附近发生共振耦合，同时，悬挂芯稍大的芯径在波长小于1410nm时能够支

持LP01模和LP11模，通过与单模光纤错位熔接的方式可以使两个模式之间形成干涉。

使用飞秒激光器在传感器样品上构建微流通道，以便在纤内进行NaCl溶液盐度和温度

的传感实验。干涉峰和耦合峰的盐度灵敏度分别为1.357nm/%和1.907nm/%，温度灵

敏度分别为-158.4pm/℃和-387.4pm/℃，通过构建灵敏度矩阵方程可以实现NaCl溶液

盐度和温度的双参量传感。

关键词：光纤传感器；单孔光纤；光纤布拉格光栅；光纤干涉仪；定向耦合器

单孔光纤传感器件设计及其应用研究

ABSTRACT

Fiberopticsensorshavebeenwidelyusedinmanyfieldssucha