SMS光纖傳感器的研究進展概述如圖1.2為SMS光纖結(jié)構(gòu)的示意圖，其由一段長度的多模光纖嵌入焊接在兩段單模光纖之間構(gòu)成。SMS光纖結(jié)構(gòu)由于其簡單的結(jié)構(gòu)，低廉的成本和優(yōu)越的傳感性能在近年來得到了研究學者的青睞，得到了快速的發(fā)展，具體的研究進展情況總結(jié)如下。圖1.2單模-多模-單模（SMS）光纖結(jié)構(gòu)示意圖20世紀末期開始，人們開始研究多模干涉理論及相關(guān)內(nèi)容。早期時候，人們利用兩路光場形成干涉，其中一路由多模光纖傳輸?shù)墓鈭觯硪宦肥窃谧杂煽臻g中傳播的光場，或者兩路形成干涉的光場都是自由空間傳播的光場。但是由于這樣的干涉系統(tǒng)輸出信號會受到產(chǎn)生的干涉條紋的影響，而對散斑場產(chǎn)生的條紋只能接受其中一個散斑，并沒有發(fā)揮多模光纖自身優(yōu)勢。后來有人提出了干涉系統(tǒng)僅由一根多模光纖構(gòu)成，并在其中同時傳輸信號光場與參考光場，這樣，干涉信號和輸出信號便可同時在輸出端被接收。如此就形成了最初的SMS光纖結(jié)構(gòu)[34]。直到現(xiàn)在，在國內(nèi)外都有許多團隊一直對SMS光纖結(jié)構(gòu)進行研究。1997年，Denis等人通過對多模干涉理論的研究，首次提出可以將SMS光纖結(jié)構(gòu)用于傳感測量，并在兩根單模光纖之間嵌入了一段多模光纖，研究制作出了一種高靈敏度的傳感器。Denis在研究中利用SMS光纖結(jié)構(gòu)進行微彎測量，實驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)有很高的彎曲靈敏度。2004年以后，國內(nèi)外眾多學者開始對SMS光纖結(jié)構(gòu)進行大量的深入研究，并取得顯著科研成果，使得SMS光纖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了多領(lǐng)域的應(yīng)用。2003年，Mehta等人提出一種基于單模-多模光纖結(jié)構(gòu)的位移傳感器[35]，其工作原理是在光纖結(jié)構(gòu)的自映像點放置一塊反射鏡，利用探測器監(jiān)測通過反射鏡后的光功率。當傳感結(jié)構(gòu)發(fā)生微位移時，探測器監(jiān)測反射光的光功率會因反射鏡偏離自映像點位置而發(fā)生改變，因此，可通過測量經(jīng)反射鏡反射后的光功率來監(jiān)測微小位移。2006年，李恩邦教授在AppliedPhysicsLetters上報道了一種光纖溫度傳感器，該傳感器基于多模干涉理論和自映像效應(yīng)。隨后，國內(nèi)越來越多的學者開始關(guān)注SMS光纖傳感結(jié)構(gòu)，所設(shè)計制作的SMS光纖結(jié)構(gòu)傳感器也越來越多，傳感范圍也從最開始的應(yīng)變、溫度等物理量逐步擴展到液體溫度、折射率、外界擾動等[36,37]。2007年，LiuYu在AppliedOptics上介紹一種基于SMS光纖結(jié)構(gòu)的低損耗高靈敏度壓力溫度傳感器[38]。2009年，SaurabhManiTripathi等人在JournalofLightwaveTechnology發(fā)表了他們的研究進展[39]。文章在理論上詳細分析了當溫度和壓力這兩個外界參量發(fā)生變化時，SMS光纖結(jié)構(gòu)傳輸光譜的變化規(guī)律，而且還討論了在使用不同摻雜多模光纖時，SMS光纖結(jié)構(gòu)對溫度及壓力變化的不同響應(yīng)結(jié)果。2008年，QianWang等人研究了一種SMS光纖結(jié)構(gòu)，根據(jù)圓對稱波導的單向?qū)鞑シ治龇椒▽獾膫鞑ミM行了建模，推導驗證了近似公式的精度，并且利用推導出的近似公式，通過空間到波長的映射，給出了一種預測和分析光纖結(jié)構(gòu)光譜響應(yīng)的簡便辦法，對光譜響應(yīng)進行了仿真上的預測和實驗上的驗證[40]。2009年，A.M.Hatta等人提出了一種利用簡單的基于強度反饋系統(tǒng)進行溫度測量的單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)。數(shù)值和實驗研究了該結(jié)構(gòu)的溫度依賴性。發(fā)現(xiàn)在選定的波長下，SMS纖維結(jié)構(gòu)具有很強的溫度依賴性。在這種波長下的溫度特性本質(zhì)上是線性的，可以用于溫度測量。該傳感器的溫度范圍為50-200°C，高溫分辨率約為0.2°C，與其他光纖溫度傳感器相比，所提出的溫度傳感器提供了高分辨率和精度，而且成本低，制備容易[41]。同年，李晨光等人提出了一種以多模光纖為實際的傳感器元件的基于模式耦合理論的強度調(diào)制的擾動定位傳感器。兩個檢測器接收光纖中的反向傳播的光信號，擾動的位置將通過計算反向傳播的光信號之間的時間延遲來定位。實驗中的結(jié)構(gòu)定位精度約為±100m。該設(shè)計方案可以實現(xiàn)精確定位，同時結(jié)構(gòu)簡單，檢測距離長，因此可以部署到各種擾動檢測應(yīng)用中[42]。2010年，金勇等人提出了一種利用多模光纖作為輔助的傾斜光纖光柵折射率傳感器，該傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1.4所示。通過在單模光纖和傾斜的布拉格光纖光柵之間插入一小部分多模光纖制備而成。隨著周圍折射率的變化，包層模式中反射了不同的功率，而布拉格反射的模式功率保持不變。折射率單位靈敏度達到28.5μw/RIU，該折射率傳感器在生物檢測領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用空間。圖1.4傾斜光纖光柵級聯(lián)的SMS光纖折射率傳感器[43]2011年，王鵬飛等人提出對標準SMS光纖結(jié)構(gòu)中的多模光纖利用CO2激光器激光光束進行拉錐處理，將多模光纖的直徑從125μm變?yōu)橹挥袔资畟€微米，成功制備出了一種單模-拉錐多模-單模的光纖結(jié)構(gòu)，如圖1.5所示為該光纖結(jié)構(gòu)的原理圖。多模光纖經(jīng)過拉錐處理后可以大幅度的增強傳輸光的倏逝場強度，也就達到了提高傳感性能的目的。這種單模-拉錐多模-單模的光纖結(jié)構(gòu)可以制備成為高靈敏度的折射率計，在1.33-1.44RIU的折射率范圍內(nèi)的靈敏度為1900nm/RIU。圖1.5單模-拉錐多模-單模光纖結(jié)構(gòu)原理圖[44]2011年，吳強等人提出一種新型光學耦合裝置，如圖1.6所示為該耦合裝置原理圖。通過將標準SMS光纖結(jié)構(gòu)與長周期光纖光柵平行靠近擺放的方式，使得標準SMS光纖結(jié)構(gòu)在單模光纖和多模光纖界面激發(fā)出的包層模式的倏逝場與長周期光纖光柵激發(fā)出的包層模式的倏逝場進行有效的耦合。通過數(shù)值計算得出，在理論上這種新型光學耦合裝置的耦合效率最大可以達到27.5%。實驗中也完成了這種新型光學耦合裝置的制備工作，測得實際耦合效率為1.66%。圖1.6長周期光纖光柵與標準SMS光纖結(jié)構(gòu)之間的耦合裝置[45]同年，吳強等人提出了一種使用氫氟酸進行化學腐蝕的SMS光纖結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)地研究了化學腐蝕處理后的具有不同直徑大小的多模光纖的折射率傳感性能[46]?；瘜W腐蝕處理后的SMS光纖結(jié)構(gòu)的原理圖如圖1.7所示。該折射率傳感器的結(jié)構(gòu)和標準SMS光纖結(jié)構(gòu)相類似，區(qū)別在于使用氫氟酸將該傳感器的多模光纖包層除去，使得多模光纖的纖芯裸露出來。在這項工作中，研究人員使用濃度為48%的氫氟酸對多模光纖的包層進行化學腐蝕，通過控制氫氟酸浸泡多模光纖時間的長短來得到多模光纖大小不同的直徑。經(jīng)過腐蝕后的多模光纖纖芯直接與外界環(huán)境接觸。實驗表明經(jīng)過化學腐蝕后的SMS光纖結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度為1815nm/RIU（1.334-1.437RIU）。根據(jù)實驗結(jié)果進行推測，多模光纖的直徑越小就可以提供越高的測量靈敏度。圖1.7氫氟酸化學腐蝕的SMS光纖結(jié)構(gòu)原理圖[47]2013年，天津理工大學的楊嬌構(gòu)建了一個SMS光纖結(jié)構(gòu)，并將一段纖芯直徑較大的多模光纖去除包層后嵌入結(jié)構(gòu)中，完成對所處液體溫度及液面高度的測量。在光譜的三個波谷位置溫度靈敏度分別為66pm/oC、139pm/oC、31pm/oC，并且實驗還測量對比了不同液體對液面高度測量靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)鹽水的液位靈敏度高于水的液位靈敏度，實驗所得液位靈敏度最高可達到-121.5pm/mm[48]。2014年，WeiHan等人提出了一種錯芯SMS干涉儀，并且利用這種結(jié)構(gòu)成功同時測量了液面的高度和溫度[49]。2017年LinShe等人提出將標準SMS結(jié)構(gòu)中的多模光纖替換成硫系多模光纖，利用這種結(jié)構(gòu)進行溫度測量。由于硫系多模光纖擁有比標準多模光纖更高的熱光系數(shù)，因此達到更好的溫度傳感性能。在20℃-100℃的實驗中測得的平均靈敏度可達到84.38pm/℃。2015年，S.L.Pu等人提出并設(shè)計了一種磁流體包覆“無芯-單模-無芯”光纖結(jié)構(gòu)的磁場傳感結(jié)構(gòu)[50]。單模光纖的包層模式被無芯光纖激發(fā)后，與纖芯結(jié)合在一起。實驗結(jié)果表明，隨著外部磁場的增加，特征波長向長波一側(cè)移動，在1462nm和1477nm波長附近獲得的磁場靈敏度分別為67.28pm/Oe和49.82pm/Oe。隨著溫度的升高，特征波長向短波長側(cè)移動，在1462nm相應(yīng)的靈敏度為37.8pm/°C。所提出的傳感結(jié)構(gòu)具有制造容易，靈敏度高的優(yōu)點，有很大的實用前景。2018年，王先帆等人提出了一種濕度測量傳感器，該傳感器是利用單模－側(cè)拋多模－單模光纖結(jié)構(gòu)進行制備。課題組成員通過改變側(cè)拋多模光纖表面的粗糙度，實現(xiàn)了高溫環(huán)境下對濕度的測量[51]。同年，王先帆等人在光纖側(cè)拋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的平板型多模波導結(jié)構(gòu)，并進一步分析了這種平板型多模波導結(jié)構(gòu)的折射率傳感特性[52]。如圖1.8（a）所示為平板型多模波導的結(jié)構(gòu)。課題組成員們對SMS光纖結(jié)構(gòu)的多模光纖進行了平行的雙面拋磨處理，如圖1.8（b）所示為制備出的平板型波導結(jié)構(gòu)，通過實驗結(jié)果證明了由平板型的多模波導結(jié)構(gòu)構(gòu)成的SMS光纖結(jié)構(gòu)可以達到比標準SMS光纖結(jié)構(gòu)更高的折射率測量靈敏度。圖1.8（a）雙面?zhèn)葤丼MS光纖結(jié)構(gòu)原理圖（b）雙面?zhèn)葤伓嗄９饫w截面圖[53]同年，田可等人提出一種被酒精包裹的單模-無芯-單模的光纖結(jié)構(gòu)溫度傳感器，傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1.9所示。在該研究中，無芯光纖被用作多模光導，酒精作為溫度敏感介質(zhì)。實驗中將酒精溶液封裝在石英毛細管中，并將其套在無芯光纖上，使用紫外膠將毛細管的兩端進行固化封裝處理，以防止酒精溶液的泄露和揮發(fā)。由于外界環(huán)境的變化會使酒精溶液的折射率發(fā)生變化，以此使無芯光纖內(nèi)的多模干涉效應(yīng)發(fā)生改變，可以通過監(jiān)測特定波長下的傳輸損耗改變來檢測周圍溫度的改變。因為酒精比SiO2擁有更高的熱光系數(shù)，所以該結(jié)構(gòu)對于溫度變化非常敏感。理論分析和實驗都證明了該結(jié)構(gòu)具有良好的溫度傳感性能，該溫度傳感器的最大溫度靈敏度為0.49dB/℃，在1545.9nm的工作波長下的溫度分辨率為0.02℃，溫度響應(yīng)時間為3-6s。圖1.9酒精浸入的單模-無芯-單模光纖結(jié)構(gòu)原理圖[54]2020年，LingChen等人提出一種超高靈敏度的光纖生物傳感器，用于檢測滅活金黃色葡萄球菌。該光纖生物傳感器由一個單模光纖-拉錐雙無芯光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)所構(gòu)成[55]。與傳統(tǒng)的拉錐光纖相比較，該拉錐區(qū)域為兩個無芯光纖拉錐形成的耦合器，錐腰直徑粗于一般拉錐光纖，約為