基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性, 提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。 利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪, 再在FMF上刻制FBG, 通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。 首先分析了组合传感器的传感原理, 由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变, 从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动, 因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量, 实现对待测参数的测量。 然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响, FMF越长, 干涉光谱越明显, 自由光谱范围FSR越小, 为了便于观测组合传感器的整体光谱, 最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。 实验所用FMF可稳定传输LP01, LP11, LP21和LP02四种模式, 通过对比分析不同模式间的干涉和耦合, 确定此组合传感器的干涉光谱是由LP01-LP11干涉形成, FBG透射谱是由LP02-LP02, LP11-LP11, LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。 最后进行温度和折射率的传感实验, 结果表明, 随着外界温度的升高, SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移, 而FBG透射谱发生红移, 其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃-1, 线性度良好; 将FMF包层直径腐蚀至22 μm, 在1.366~1.455的折射率变化范围内, 组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动, 灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU-1。 该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化, 提高了检测准确度, 减小测量过程中出现的偶然误差, 结构简单新颖、 灵敏度高、 易于制备, 且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性, 使得传感变得更加灵活方便。

以实现柱矢量光横向选模为目标, 研究了非均匀折射率分布的少模光纤的光学特性。利用有限元法分析了U型折射率分布和弯曲少模光纤的模场特性: 前者结合1 550 nm泵浦光可支持LP11模式并抑制LP01模式; 后者包括二模光纤和四模光纤, 当二者弯曲半径分别为4和2 cm时, 仅支持LP01和LP11模式。结合理论和实验研究了四模和二模FBG(光纤布拉格光栅), 对于二模FBG, 当透射波长位于1 549.79 nm附近时, 可获得呈两瓣分布的LP11模式; 对于四模FBG, 其反射谱峰值波长个数随尾纤弯曲半径的减小而减少。相关结果对于柱矢量光的产生和应用具有重要的理论和实践意义。

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大。实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果。而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法。这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径。