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随着光纤干涉式传感器应用范围的扩大,对光纤传感器灵敏度的要求越来越高,因此,研究高灵敏度的M-Z干涉仪具有重要的现实意义。本文基于新型的包层直径为40μm的细径光纤(thin diameter fiber,TDF)设计了 In-Line M-Z光纤干涉仪,并将其用于温度、折射率和湿度检测。本文的研究内容主要分为以下三个方面:(1)提出了一种基于单模光纤-多模光纤-细径光纤-多模光纤-单模光纤(SMTMS)结构的in-LineM-Z干涉仪。和本课题组同学一起创新性地在结构中引入多模光纤,理论分析了加入多模光纤后传输光谱干涉条纹对比度增大的机理,并进行实验验证。基于此,不仅提高了传感器的检测精度,而且可以制作尺寸更小的传感器,从而应用于更多传感领域,如生物化学领域等。基于M-Z干涉基本理论,本文对所提出的SMTMS结构的干涉仪进行理论和实验研究。并且通过对传输光谱做快速傅里叶变换分析其空间频谱特性,可知SMTMS结构的干涉发生在纤芯基模和包层模式间。(2)将基于细径光纤的M-Z干涉仪应用于温度测量,包层直径为40μm时在20-100℃的温度范围内测得的灵敏度为0.065nm/℃。为了进一步验证传感器灵敏度与包层直径的关系,将该SMTMS结构的传感部分腐蚀后在水浴进行温度测量。当光纤腐蚀至直径为18.7μm时,实验测得灵敏度高达2.49nm/℃,约为腐蚀前的40倍,文中对灵敏度增大的机理做了理论分析。此外,本文研究了细径光纤的高温传感特性,并且在实验中将干涉臂尺寸控制在5mm以下,从而获得较大的检测范围以适用于100～1000℃的高温检测。不同于基于纤芯模式间干涉的传感器,由于参与干涉的模式之一是以纯石英材料为主要波导的包层模式,本文提出的传感器测量高温时不会出现拐点。实验测得850℃前后温度灵敏度分别为0.102nm/℃和0.285nm/℃。该传感器灵敏度高,结构紧凑,适用于多点分布式高温测量,对于极端环境下的温度检测具有很大的应用价值。(3)将基于细径光纤的M-Z干涉仪用于折射率测量和湿度测量。通过氢氟酸腐蚀SMTMS结构中的细径光纤获得高灵敏度的折射率传感器,并且对传感器灵敏度与包层直径的关系进行理论仿真和实验验证。在目前的实验条件下获得的灵敏度在1.4～1.4025的折射率范围内最高为21292.2nm/RIU,在1.336～1.344的折射率范围内最高为3436.8nm/RIU。而根据已查阅的文献,将单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构拉锥至12.5μm时在1.4304～1.4320范围内测得的最高灵敏度为19212.5nm/RIU。基于传感器的高折射率灵敏度特性,将干涉仪的细径光纤直径腐蚀至12μm时用于湿度测量,无需涂覆湿度敏感材料即可在40%～700%的相对湿度变化范围内获得0.112nm/%RH的灵敏度,70%～90%时灵敏度增大至0.452nm/%RH,相对湿度提高到900%后灵敏度高达1.07nm/%RH。因此,本文提出的SMTMS结构光纤干涉仪具有更高的灵敏度,在海洋温度,盐度,湿度检测领域都具有重要的研究价值。