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微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

刘颖刚 车伏龙 贾振安 傅海威 王宏亮 邵敏

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微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

刘颖刚, 车伏龙, 贾振安, 傅海威, 王宏亮, 邵敏

Investigation on the characteristics of micro/nanofiber Bragg grating for refractive index sensing

Liu Ying-Gang, Che Fu-Long, Jia Zhen-An, Fu Hai-Wei, Wang Hong-Liang, Shao Min
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  • 利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据.
    Using the fiber Bragg grating equation and the functional relation of the fundamental effective mode refractive index (RI), the mathematical model of the wavelength shift and the relational function of wavelength sensitivity are established, when the reflected wavelength of the micro/nanofiber Bragg grating (MNFBG) changes with ambient RI and the fiber radius. The theoretical relationship demonstrates that the variation of MNFBG reflected wavelengths is dependent on the change of effective RI with fiber radius and ambient RI. Meanwhile, we also study the variation of effective RI and its sensitivity in detail. The results show that the effective RI nonlinearly decreases with fiber-core radius and ambient refractive index decreasing, and its sensitivity increases as the ambient refractive index increases, and the sensitivity, linearity and the linear response range increase with the decrease of the fiber radius. For a fiber radius of 0.5 μm, by simulating the curves of the effective index versus ambient RI in the index ranges of 1.20-1.30 and 1.33-1.43 respectively, the values of wavelength sensitivity of 477.33 nm/RIU and 856.30 nm/RIU and the values of high linearity of 99.2% and 99.7% are obtained, which not only verifies the analysis conclusions and the measurement program for RI sensing with MNFBG, but also supplies references for the RI sensor design, optimization and the application.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60727004)和教育部重大项目基金(批准号: 708087)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60727004), and the Research Foundation from Ministry of Education of China (Grant No. 708087).
    [1]

    Sun W F, Wang X K, Zhang Y 2009 Chin. Phys. Lett. 26 114210

    [2]

    Tong L M, Pan X Y 2007 Physics 36 626 (in Chinese) [童利民, 潘欣云 2007物理 36 626]

    [3]

    Liang R B, Sun Q Z, Wo J H, Liu D M 2011 Acta Phys. Sin. 60 104221 (in Chinese) [梁瑞冰, 孙琪真, 沃江海, 刘德明 2011物理学报 60 104221]

    [4]

    Tong L M, Gattass R R, Ashcom J B, He S L, Lou J Y, Shen M Y, Maxwell I, Mazur E 2003 Nature 426 816

    [5]

    Tong L M, Lou J Y, Mazur E 2004 Opt. Express 12 1025

    [6]

    Liang W, Huang Y Y, Xu Y, Lee R K, Yariv A 2005 Appl. Phys. Lett. 86 151122

    [7]

    Fang X, Liao C R, Wang D N 2010 Opt. Lett. 35 1007

    [8]

    Iadicicco A, Campopiano S, Cutolo A, Giordano M, Cusano A 2005 IEEE Photon. Technol. Lett. 17 1250

    [9]

    Zhang Y, Lin B, Tjin S C, Zhang H, Wang G H, Shum P, Zhang X L 2010 Opt. Express 18 26345

    [10]

    Chiang K S, Liu Y Q, Ng M N, Dong X Y 2000 Electron Lett. 36 966

    [11]

    Ran Y, Jin L, Sun L P, Li J, Guan B O 2012 Opt. Lett. 37 2649

    [12]

    Lee S M, Jeong M Y, Saini S S 2012 J. Lightwave Technol. 30 1025

    [13]

    Ran Y, Tan Y N, Sun L P, Gao S, Li J, Jin L, Guan B O 2011 Opt. Express 19 18577

    [14]

    Li B, Jiang L, Wang S M, Tsai H L, Xiao H 2011 Opt. Laser Technol. 43 1420

    [15]

    Dan G, Stephen J M, Huimin D, Christopher W S 2006 IEEE Photon. Technol. Lett. 18 160

    [16]

    Xu B, Li Y, Dong X Y, Jin S Z, Zhang Z X 2012 Chin. Phys. Lett. 29 094203

    [17]

    Liao Y B 2000 Fiber Optics (Beijing: Tsinghua University Press) p200 (in Chinese) [廖延彪 2000 光纤光学(北京: 清华大学出版社) 第200页]

    [18]

    Zhou H Q, Sui C H 2011 J. Zhejiang Univ. Technol. 39 228 (in Chinese) [周寒青, 隋成华 2011 浙江工业大学学报 39 228]

  • [1]

    Sun W F, Wang X K, Zhang Y 2009 Chin. Phys. Lett. 26 114210

    [2]

    Tong L M, Pan X Y 2007 Physics 36 626 (in Chinese) [童利民, 潘欣云 2007物理 36 626]

    [3]

    Liang R B, Sun Q Z, Wo J H, Liu D M 2011 Acta Phys. Sin. 60 104221 (in Chinese) [梁瑞冰, 孙琪真, 沃江海, 刘德明 2011物理学报 60 104221]

    [4]

    Tong L M, Gattass R R, Ashcom J B, He S L, Lou J Y, Shen M Y, Maxwell I, Mazur E 2003 Nature 426 816

    [5]

    Tong L M, Lou J Y, Mazur E 2004 Opt. Express 12 1025

    [6]

    Liang W, Huang Y Y, Xu Y, Lee R K, Yariv A 2005 Appl. Phys. Lett. 86 151122

    [7]

    Fang X, Liao C R, Wang D N 2010 Opt. Lett. 35 1007

    [8]

    Iadicicco A, Campopiano S, Cutolo A, Giordano M, Cusano A 2005 IEEE Photon. Technol. Lett. 17 1250

    [9]

    Zhang Y, Lin B, Tjin S C, Zhang H, Wang G H, Shum P, Zhang X L 2010 Opt. Express 18 26345

    [10]

    Chiang K S, Liu Y Q, Ng M N, Dong X Y 2000 Electron Lett. 36 966

    [11]

    Ran Y, Jin L, Sun L P, Li J, Guan B O 2012 Opt. Lett. 37 2649

    [12]

    Lee S M, Jeong M Y, Saini S S 2012 J. Lightwave Technol. 30 1025

    [13]

    Ran Y, Tan Y N, Sun L P, Gao S, Li J, Jin L, Guan B O 2011 Opt. Express 19 18577

    [14]

    Li B, Jiang L, Wang S M, Tsai H L, Xiao H 2011 Opt. Laser Technol. 43 1420

    [15]

    Dan G, Stephen J M, Huimin D, Christopher W S 2006 IEEE Photon. Technol. Lett. 18 160

    [16]

    Xu B, Li Y, Dong X Y, Jin S Z, Zhang Z X 2012 Chin. Phys. Lett. 29 094203

    [17]

    Liao Y B 2000 Fiber Optics (Beijing: Tsinghua University Press) p200 (in Chinese) [廖延彪 2000 光纤光学(北京: 清华大学出版社) 第200页]

    [18]

    Zhou H Q, Sui C H 2011 J. Zhejiang Univ. Technol. 39 228 (in Chinese) [周寒青, 隋成华 2011 浙江工业大学学报 39 228]

  • [1] 李科, 董明利, 袁配, 鹿利单, 孙广开, 祝连庆. 基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调技术综述. 物理学报, 2022, 71(9): 094207. doi: 10.7498/aps.71.20212063
    [2] 张伟, 万静, 蒙列, 罗曜伟, 郭明瑞. D型光纤与微管耦合的微流控折射率传感器. 物理学报, 2022, 71(21): 210701. doi: 10.7498/aps.71.20221137
    [3] 郭富城, 李翠, 厉彦忠. 定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响. 物理学报, 2021, 70(16): 160703. doi: 10.7498/aps.70.20210029
    [4] 孟令俊, 王梦宇, 沈远, 杨煜, 徐文斌, 张磊, 王克逸. 具有内参考热补偿功能的三层膜结构微球腔折射率传感器. 物理学报, 2020, 69(1): 014203. doi: 10.7498/aps.69.20191265
    [5] 姜春华, 赵正予. 化学复合率对激发赤道等离子体泡影响的数值模拟. 物理学报, 2019, 68(19): 199401. doi: 10.7498/aps.68.20190173
    [6] 何祖源, 刘庆文, 陈嘉庚. 面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统. 物理学报, 2017, 66(7): 074208. doi: 10.7498/aps.66.074208
    [7] 李杰, 李蒙蒙, 孙立朋, 范鹏程, 冉洋, 金龙, 关柏鸥. 保偏微纳光纤倏逝场传感器. 物理学报, 2017, 66(7): 074209. doi: 10.7498/aps.66.074209
    [8] 马理强, 苏铁熊, 刘汉涛, 孟青. 微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟. 物理学报, 2015, 64(13): 134702. doi: 10.7498/aps.64.134702
    [9] 蒋勇, 贺少勃, 袁晓东, 王海军, 廖威, 吕海兵, 刘春明, 向霞, 邱荣, 杨永佳, 郑万国, 祖小涛. CO2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟. 物理学报, 2014, 63(6): 068105. doi: 10.7498/aps.63.068105
    [10] 侯建平, 赵晨阳, 杨楠, 郝建苹, 赵建林. 微纳光纤端面反射特性的实验测量方法 . 物理学报, 2013, 62(14): 144216. doi: 10.7498/aps.62.144216
    [11] 刘超, 裴丽, 李卓轩, 宁提纲, 高嵩, 康泽新, 孙将. 光纤布拉格光栅型全光纤声光调制器的特性研究. 物理学报, 2013, 62(3): 034208. doi: 10.7498/aps.62.034208
    [12] 李辉栋, 傅海威, 邵敏, 赵娜, 乔学光, 刘颖刚, 李岩, 闫旭. 基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 物理学报, 2013, 62(21): 214209. doi: 10.7498/aps.62.214209
    [13] 李晶, 宁提纲, 裴丽, 周倩, 胡旭东, 祁春慧, 高嵩, 杨龙. 三角形谱啁啾光纤光栅的制备及其在光纤无线单边带调制系统中的应用. 物理学报, 2011, 60(5): 054203. doi: 10.7498/aps.60.054203
    [14] 梁瑞冰, 孙琪真, 沃江海, 刘德明. 微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究. 物理学报, 2011, 60(10): 104221. doi: 10.7498/aps.60.104221
    [15] 卓士创, 闫长春. 可见光紫端748 THz处的高透过率负折射率材料模拟研究. 物理学报, 2010, 59(1): 360-364. doi: 10.7498/aps.59.360
    [16] 邓一鑫, 涂成厚, 吕福云. 非线性偏振旋转锁模自相似脉冲光纤激光器的研究. 物理学报, 2009, 58(5): 3173-3178. doi: 10.7498/aps.58.3173
    [17] 任文华, 王燕花, 冯素春, 谭中伟, 刘 艳, 简水生. 对光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模间隔问题的研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7758-7764. doi: 10.7498/aps.57.7758
    [18] 张 邺, 戴一堂, 孙 杰, 张冶金, 谢世钟. 基于重构等效啁啾制作光纤光栅编解码器的光码分多址系统实现. 物理学报, 2007, 56(12): 7034-7038. doi: 10.7498/aps.56.7034
    [19] 刘 艳, 郑 凯, 谭中伟, 李 彬, 陈 勇, 宁提纲, 简水生. 非对称单侧曝光切趾使啁啾光纤光栅获得优化性能. 物理学报, 2006, 55(11): 5859-5865. doi: 10.7498/aps.55.5859
    [20] 吕昌贵, 崔一平, 王著元, 恽斌峰. 光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模特性研究. 物理学报, 2004, 53(1): 145-150. doi: 10.7498/aps.53.145
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-11-16
  • 修回日期:  2012-12-12
  • 刊出日期:  2013-05-05

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

  • 1. 西安石油大学, 陕西省光电传感测井重点实验室, 西安 710065
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60727004)和教育部重大项目基金(批准号: 708087)资助的课题.

摘要: 利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据.

English Abstract

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