中国激光, 2018, 45 (12): 1210003, 网络出版: 2019-05-09  

基于激光器内腔调制的低探测极限折射率传感系统 下载: 786次

Refractive Index Sensing System Based on Fiber Laser Intracavity Modulation with a Low Detection Limit
张超 1,2,3,*徐德刚 1,2,3,*石嘉 1,2,3钟凯 1,2,3李绪锦 3熊建波 4,5王胜年 4,5任宇琛 1,2陈霖宇 1,2李长昭 1,2刘铁根 1,2姚建铨 1,2
作者单位
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津大学光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
3 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋观测与探测联合实验室, 山东 青岛 266237
4 中交四航工程研究院有限公司, 广东 广州 510230
5 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室, 广东 广州 510230
图 & 表

图 1. SNCS光纤结构示意图

Fig. 1. Schematic of SNCS fiber structure

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图 2. SNCS光纤结构传感特性的模拟结果。(a)折射率特性;(b)温度特性

Fig. 2. Simulated sensing characteristic of SNCS fiber structure. (a) Refractive index characteristic; (b) temperature characteristic

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图 3. SNCS光纤结构传感特性的实验结果。(a)折射率特性;(b)自成像峰波长与外界折射率的关系;(c)温度特性;(d)自成像峰波长与外界温度的关系

Fig. 3. Experimental sensing characteristic of SNCS fiber structure. (a) Refractive index characteristic; (b) the relationship between self-imaging wavelength and external refractive index; (c) temperature characteristic; (d) the relationshipbetween self-imaging wavelength and external temperature

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图 4. 内腔调制折射率传感系统示意图

Fig. 4. Schematic of refractive index sensing system based on intracavity modulation

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图 5. (a) FBG的反射谱及反射式传感结构的折射率响应特性;(b)内腔调制传感系统输出的折射率特性;(c)内腔调制传感系统输出信号的SNR与折射率的关系,插图分别是折射率为1.3330和1.3624时传感系统的输出光谱

Fig. 5. (a) Reflective spectrum of FBG and the refractive index response characteristic of the reflective sensing structure; (b) refractive index characteristic of the sensing system based on intracavity modulation; (c) the relationship between refractive index and SNR of the sensing system based on intracavity modulation, and the inserts are theoutput spectra of the sensing system at refractive indices of 1.3330 and 1.3624, respectively

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图 6. 内腔调制传感系统输出功率与外界折射率、温度的关系。(a)折射率线性拟合曲线;(b)温度线性拟合曲线;(c)传感系统输出功率与FBG工作环境温度的关系;(d)传感系统的输出稳定性

Fig. 6. Relationship between output power of the sensing system and the external refractive index or temperature. (a) Linear fitting curve of refractive index; (b) linear fitting curve of temperature; (c) relationship between output power of the sensing system and the working temperature of FBG; (d) output stability of the sensing system

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表 1光纤参数

Table1. Parameters of optical fiber

ParameterSMFNCF
Length of NCF /mm59
Radius of fiber core /μm4.1562.5
Radius of fiber cladding /μm62.5
RI of fiber core1.46811.446
RI of fiber cladding1.4628
Thermo-optic coefficient /℃1.06×10-5[16]
Thermal expansion coefficient /℃5.0×10-7[17]

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表 2内腔调制折射率传感系统的性能参数

Table2. Performance parameters of refractive index sensing system based on intracavity modulation

ParameterValve
SNR /dB>49
FWHM /pm<40
RI sensitivity /(mW·RIU-1)0.54
Output stability /pW76.6
Cross-sensitivity of temperature /pW106.81
Power resolution /pW0.2887
Sensor resolution (3σ) /pW394.31
Detection limit /RIU7.3×10-7

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张超, 徐德刚, 石嘉, 钟凯, 李绪锦, 熊建波, 王胜年, 任宇琛, 陈霖宇, 李长昭, 刘铁根, 姚建铨. 基于激光器内腔调制的低探测极限折射率传感系统[J]. 中国激光, 2018, 45(12): 1210003. Chao Zhang, Degang Xu, Jia Shi, Kai Zhong, Xujin Li, Jianbo Xiong, Shengnian Wang, Yuchen Ren, Linyu Chen, Changzhao Li, Tiegen Liu, Jianquan Yao. Refractive Index Sensing System Based on Fiber Laser Intracavity Modulation with a Low Detection Limit[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(12): 1210003.

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