Рефрактометры с температурной компенсацией на основе межмодовых волоконно-оптических интерферометров

Завалишина Л.Д., Маркварт А.А., Зарипов А.Э., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.

Ссылка для цитирования:

Завалишина Л.Д., Маркварт А.А., Зарипов А.Э., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А. Рефрактометры с температурной компенсацией на основе межмодовых волоконно-оптических интерферометров // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 5. С. 32–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-32-42

Zavalishina L.D., Markvart A.A., Zaripov A.E., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Temperature-compensated refractometers based on intermode fiber-optic interferometers [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 5. P. 32–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-32-42

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Межмодовые интерферометры на основе составной волоконно-оптической структуры и их применение в качестве измерителей показателя преломления внешней среды. Цели работы. Теоретическое обоснование и экспериментальная реализация одновременного измерения показателя преломления внешней среды и температуры с помощью одиночного межмодового интерферометра на основе составной волоконно-оптической структуры (одномодовая-многомодовая-одномодовая-многомодовая-одномодовая). Методы. Для расчета оптоволоконных интерферометров использованы модовый анализ оптоволоконной структуры и матричный подход расчета коэффициента ее пропускания или отражения. Для обработки интерференционного сигнала использовано дискретное преобразование Фурье. Основные результаты. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность проведения одновременных измерений показателя преломления внешней среды и температуры с помощью одиночного интерферометра на основе составной волоконно-оптической структуры, что отличает данную работу от аналогичных, в которых экспериментально исследовались структуры другого типа. Проанализированы методические и случайные погрешности измерений. Благодаря предварительному расчету структуры выявлено несоответствие модового состава в реальной оптоволоконной структуре ожидаемому, обусловленное неидеальностью изготовления структуры, что говорит о целесообразности поиска более точных методов изготовления межмодовых интерферометров, позволяющих обеспечить их воспроизводимость и предсказуемость. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы для разработки волоконно-оптических рефрактометров с температурной компенсацией на основе межмодовых оптоволоконных интерферометров.

Ключевые слова:

межмодовый волоконный интерферометр, показатель преломления, спектральная интерферометрия, преобразование Фурье

Благодарность:

исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-72-10095

Коды OCIS: 060.2370, 120.3180

Список источников:

1. Brientin A., Leduc D., Gaillard V., et al. Numerical and experimental study of a multimode optical fiber sensor based on Fresnel reflection at the fiber tip for refractive index measurement // Opt. & Laser Technol. 2021. V. 143. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107315

2. Мамичев Д.А., Кузнецов И.А., Маслова Н.Е. и др. Оптические сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса для высокочувствительного биохимического анализа // Молекулярная медицина. 2012. № 6. С. 19–27.

Mamichev D.A., Kuznetsov I.A., Maslova N.E., et al. Surface plasmon resonance-based optical sensors for highly sensitive biochemical analysis [in Russian] // Molekulyarnaya Meditsina. 2012. № 6. P. 19–27.

3. Pevec S., Donlagic D. Miniature fiber-optic Fabry‒Perot refractive index sensor for gas sensing with a resolution of 5x10-9 RIU // Opt. Exp. 2018. V. 26. № 18. P. 23868–23882. https://doi.org/10.1364/OE.26.023868

4. Mar-Abundis N., Fuentes-Rubio Y.A., Dominguez-Cruz R.F., et al. Sugar detection in aqueous solution using an SMS fiber device // Sensors. 2023. V. 23. № 14. https://doi.org/10.3390/s23146289

5. Xiong R., Meng H., Yao Q., et al. Simultaneous measurement of refractive index and temperature based on modal interference // IEEE Sensors J. 2014. V. 14. № 8. P. 2524–2528. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2310463

6. Юсупова Л.И., Иванов О.В. Интерферометры на основе вставок оптических волокон с тонкой сердцевиной SM600 и SM450 // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 9. С. 73–77. https://doi.org/10.18127/j00338486-201909(14)-10

Yusupova L.I., Ivanov O.V. SM600 and SM450 thin-core optical fiber interferometers interferometry [in Russian] // Radiotekhnika. 2019. V. 83. № 9. P. 73–77. https://doi.org/10.18127/j00338486-201909(14)-10

7. Tian Z., Yam S.S.-H., Loock H.-P. Single-mode fiber refractive index sensor based on core-offset attenuators // IEEE Photon. Technol. Lett. 2008. V. 20. № 16. P. 1387–1389. https://doi.org/10.1109/LPT.2008.926832

8. Wang F., Pang K., Ma T., et al. Folded-tapered multimode-no-core fiber sensor for simultaneous measurement of refractive index and temperature // Opt. & Laser Technol. 2020. V. 130. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106333

9. Del Villar I., Socorro A.B., Corres J.M., et al. Optimization of sensors based on multimode interference in single-mode–multimode–single-mode structure // J. Lightwave Technol. 2013. V. 31. № 22. P. 3460–3468. https://doi.org/10.1109/JLT.2013.2283943

10. Yariv A., Yeh P. Photonics. Optical electronics in modern communications. 6th ed. New York: Oxford University Press, 2007. 828 p.

11. Erdogan T. Cladding-mode resonances in short- and long-period fiber grating filters: Errata // JOSA A. 2000. V. 17. № 11. https://doi.org/10.1364/JOSAA.17.002113

12. Erdogan T. Cladding-mode resonances in short- and long-period fiber grating filters // JOSA A. 1997. V. 14. № 8. P. 1760–1773. https://doi.org/10.1364/JOSAA.14.001760

13. Tripathi S.M., Kumar A., Varshney R.K., et al. Strain and temperature sensing characteristics of single-mode–multimode–single-mode structures // J. Lightwave Technol. 2009. V. 27. № 13. P. 2348–2356. https://doi.org/10.1109/JLT.2008.2008820

14. Tripathi S.M., Kumar A., Kumar M., et al. Temperature-insensitive fiber-optic devices using multimode interference effect // Opt. Lett. 2012. V. 37. № 22. P. 4570–4572. https://doi.org/10.1364/OL.37.004570

15. Markel V.A. Introduction to the Maxwell Garnett approximation: Tutorial // JOSA A. 2016. V. 33. № 7. P. 1244–1256. https://doi.org/10.1364/JOSAA.33.001244

16. Kedenburg S., Vieweg M., Gissibl T., et al. Linear refractive index and absorption measurements of nonlinear optical liquids in the visible and near-infrared spectral region // Opt. Mater. Exp. 2012. V. 2. № 11. P. 1588–1611. https://doi.org/10.1364/OME.2.001588

17. Abbate G., Bernini U., Ragozzino E., et al. The temperature dependence of the refractive index of water // J. Phys. D: Appl. Phys. 1978. V. 11. № 8. https://doi.org/10.1088/0022-3727/11/8/007

18. Nyakuchena M., Juntunen C., Shea P., et al. Refractive index dispersion measurement in the short-wave infrared range using synthetic phase microscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. № 34. P. 23141–23149. https://doi.org/10.1039/d3cp03158f

19. Takamura K., Fisher H., Morrow N.R. Physical properties of aqueous glycerol solutions // J. Petroleum Sci. and Eng. 2012. V. 98–99. P. 50–60. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2012.09.003

20. Noé R., Koch B. Accuracy limits of polarization-independent optical depolarizers based on rotating waveplates // J. Lightwave Technol. 2008. V. 26. № 15. P. 2633–2640. https://doi.org/10.48550/arXiv.1901.08838