基于悬挂芯光纤微单元的矢量加速度传感器研究

The suspended core fibers (SCF) exhibit subtle, versatile internal structure with micro/nano transverse scale, which provide a good platform for building novel opto-mechanical structure inside the fiber from side by micro-machining techniques, such as femtosecond laser. We propose this project to conduct following researches on a SCF microcell made by commercial available post-processing photonic crystal fiber (PCF): (1) Theoretical analysis the optical properties of SCFs with high aspect ratio core. Design and optimize the structures for vector accelerometer; (2) Fabrication of suspended core microcells with high aspect ratio; (3) Realize the acceleration sensing structure in the microcell; (4) Investigate and optimize the properties of the accelerometer samples. Realized a high quality vector accelerometer in the microcell.

悬挂芯光纤内部精细、多样的构造，为实现基于内嵌型微纳光机结构的全光纤传感器提供了很好的平台。本项目针对传统光纤加速度传感器由于需要依托振动增敏结构，带来的体积、重量增加，以及平坦响应的频率范围较小等问题，拟对能实现矢量加速度传感的微结构开展研究，具体包括：（1）对所需悬挂芯光纤的结构进行优化设计，理论研究其导模特性；（2）实验研究通过光纤后处理方法，实现具有大横纵比、微纳尺度纤芯的悬挂芯光纤在线结构的工艺；（3）通过对飞秒激光与光纤材料的非线性作用过程及结果的考察，在光纤内有效地制作基于悬挂芯的悬臂梁，固支梁和非对称长周期光栅等多种结构；（4）通过研究这些结构（组合）的加速度响应，以及对光纤中传输光的调制机理，实现并优化对加速度敏感的微结构，抑制不同方向加速度间的交叉敏感，最终实现高品质的矢量微加速度传感器。该项目的研究内容在全光传感网络和集成光学领域具有潜在的应用价值。

本项目针对传统光纤加速度传感器由于需要依托振动增敏结构，带来的体积、重量大，以及平坦响应的频率范围窄等问题，基于悬挂芯微结构光纤，开展了光纤加速度传感技术研究，形成了大量研究成果。具体包括：（1）对适用于加速度传感的悬挂芯光纤结构进行优化设计，仿真研究其导模和力学特性；（2）通过光纤后处理技术参数的摸索，获得了四种有大横纵比、微纳尺度纤芯的悬挂芯光纤样品和成熟的制备参数，以及其他结构（如多芯，偏轴芯等）的悬挂芯光纤样品；（3）通过对飞秒激光光纤加工技术摸索，成攻在多种光纤样品内制作基于悬挂芯的悬臂梁、固支梁结构；（4）利用飞秒激光逐点法和相位掩膜板法在悬挂芯微单元纤芯上分别制备了非对称长周期光栅和布拉格光栅；（5）通过研究这些结构的加速度响应对光纤中传输光的强度调制，完成对加速度敏感结构的优化，实现温度适用范围广的的矢量加速度传感器；（6）意外的发现这种悬挂芯光纤纤芯悬梁灵敏的声波（空气振动）响应能力，以及在细芯情况下高效的气体光热/光声激发效果，这将在后面进一步开展深入研究。该项目的研究内容在全光传感网络和集成光学领域具有潜在的应用价值。