二维散射性梯度折射率介质的表观辐射特性

通过采用线性折射率bar模型处理多维梯度折射率介质,本文研究了二维矩形半透明体的表观方向发射特性.考察了折射率分布、散射反照率、散射相函数等多种参数对二维梯度折射率介质表观发射的影响.提出类相干性的概念描述多维梯度折射率介质的辐射特性.     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

平顶高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

 利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,推导出平顶高斯光束在梯度折射率介质中传输时的解析表达式,对平顶高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性进行了分析,讨论了介质梯度折射率系数和光束阶数对传输特性的影响。研究表明,平顶高斯光束在梯度折射率介质中传输时轴上光强分布呈现周期性变化,其周期决定于介质梯度折射率系数,而与光束的阶数无关;轴上峰值处的横向光强分布受梯度折射率系数和光束阶数的影响较大,横向光强的最大值随着梯度折射率系数的增大而增大。     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响,分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移,用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数,对传统耦合模理论进行了修正,增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算,可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响,与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论     

余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性

 为了研究光束在梯度折射率介质中的传输规律,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,推导出余弦高斯光束在梯度折射率介质中传输的解析表达式,对余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性进行了分析,并进一步讨论了介质梯度折射率系数和调制参数对传输特性的影响。结果表明,余弦高斯光束在梯度折射率介质中传输时,轴上光强分布呈现周期性变化,横向光强分布受梯度折射率系数和调制参数影响较大。余弦高斯光束传输时具有不稳定性,通过适当调节参数,可在空间某位置实现余弦高斯光束的整形。     

一种研究指数型梯度折射率纤维的新方法—准锥形等效法

基于纤维的折射率分布特性,本文提出了一种研究指数型梯度折射率纤维透镜的新方法——准锥形等效法.并分析了这种研究方法的适用性.     

基于光纤布拉格光栅拉锥的带宽可调微光纤马赫-曾德尔干涉仪

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)拉锥的带宽可调的微光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI),该微光纤MZI的两端为关于中心束腰光纤对称的锥形微啁啾长周期光栅(CLPG)。对拉锥后的光栅周期及折射率分布进行了建模及仿真。折射率测试结果表明,MZI透射光谱带宽的倒数与氯化钠(NaCl)溶液折射率呈线性关系,通过改变NaCl溶液折射率可以调谐透射光谱带宽。对透射光谱1550 nm处的带宽进行了测量,得到折射率调谐带宽的精度为0.64318 nm~(-1)·RIU~(-1)。     

梯度折射率介质下的光路计算与成像研究

使用激光照射具有梯度折射率的介质将形成海市蜃楼现象的光路轨迹"可视化"。主要研究了不同波长的激光在线性和非线性梯度折射率介质中的光路轨迹和成像情况。基于几何光学原理推导了光路方程并使用Matlab光线追迹算法计算了线性和非线性情况下的成像。实验上,通过自制仪器配置有折射率梯度的溶液并观察光路轨迹以及拍摄实物成像。实验拍摄的光路轨迹与理论推导基本一致,为海市蜃楼等现象的演示以及成像问题的研究提供了新的参考。     

折射率调制矩阵的Bragg光栅光谱分布特性研究

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制,利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制,研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性,为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。系统结合耦合模理论与矩阵传输算法,当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时,即仍可应用耦合模理论计算,同时又可以将多段的耦合方程以正、反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。由此可知,虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式,但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性,同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算,就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组,再对其反射率分布场进行解析。最终,可以得到整个光纤光栅的等效正、反模式,即实现回波光谱分布的控制。由理论部分可知,回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、纤芯位置、分段数决定,可由(z)和k(z)表示。通过MATLAB仿真分析可知,两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。随着控制参数阶数的增大,反射率调制斜率也会增大;当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时,反射率调制符合单调特性。从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化,讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作,采用了四种折射率分段调制的FBG结构,分别是：①在m段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布;②在m/2段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布,其余段随机分布;③在m/2段中Λ₁和Λ₂随机分布,其余段也随机分布;④在整个光纤光栅段折射率随机分布。对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较,可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。实验结果显示：当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时,则与传统串联型均匀FBG测试效果一致,具有两个明显的Bragg特征峰;而矩阵组在m/2段中分布时,测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息,即存在两个Bragg特征峰,但峰峰值减小,噪声谱增大,半宽变窄。同时,相比交替模式而言,随机分布形式此种变化趋势更为明显。由此可见,通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、半宽及功率谱进行调制。该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下,可以对Bragg光谱分布进行精确控制,实现目标回波谱形的获取。     

基于粒子群算法的多通道光纤布拉格光栅滤波器优化设计

在多通道光纤布拉格光栅(FBG)滤波器的设计中,通道数目的增加会导致最大折射率调制深度的成倍增长,从而造成物理上的不可实现。为此,提出一种基于粒子群算法(PSO)与直接设计方法相结合的多通道FBG滤波器设计方法。该方法以最小化最大折射率调制深度为优化目标,在目标反射谱中引入一组群时延参数,为每个通道分配合适的群时延参数,建立群时延参数的优化模型。通过粒子群算法计算得到各通道群时延参数的优化分配值,提升折射率调制深度的均匀化分布程度,促使最大折射率调制深度降低到物理可实现的范围内。仿真实验结果表明设计的40通道数、106通道数的两种FBG滤波器的反射谱均匀性好,最大折射率调制深度均降到0.001以下。     

基于分布式光纤Bragg光栅传感技术的光缆卷盘静态压力研究

基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.     

光纤光栅啁啾化传感研究

提出了光纤光栅啁啾化传感概念和传感机理,将光纤光栅微观分解为栅区长度范围的许多具有独立感知能力且彼此关联的有效作用子栅集,表述了有效作用子栅集与待测环境场空间梯度分布之间的对应关系,从而较好地解释了光纤光栅啁啾谱产生的内在机理.理论推导并实验验证了光栅啁啾谱各谱参量(波长、带宽和反射光强)与待测环境场(温度和应变)之间的对应关系,为利用单一光纤光栅实现多参量同时区分测量、任意非均匀空间分布场传感提供了科学有效的解决方法.     

具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率（RI）传感器,传感头结构由2段很短的多模光纤（MMF）之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅（FBG）构成,传感头总长度为14 mm,FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明,该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃,用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器,这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。     

带宽调制型单光纤光栅温变无补偿位移传感

报道了利用反射谱带宽调制和光强差分探测技术实现单一光纤光栅温变无补偿位移精确测量的新方法。设计了一种结构新颖的曲臂梁位移传感装置,结合光波导理论与材料力学原理分析了光纤光栅在高斯应变作用下光栅反射谱侧向梯度展宽的成因,理论推导了特殊结构梁在外力作用下光栅反射谱带宽/反射光强与压力之间的响应关系。光栅反射谱侧向梯度展宽的同时反射光强线性增加,利用光强差分检测方法消除光源出光抖动的影响,提高了位移测量精度。基于带宽调制的光纤光栅位移传感方法免受温度变化的影响,在-10℃~80℃的温度变化范围内,测量误差小于1.2%,实现了单光纤光栅温变无补偿位移测量。     

用于单频光纤激光器的光纤光栅双腔Fabry-Perot结构传输谱特性理论研究

分析了基于光纤光栅的全光纤型双腔Fabry-Perot(F-P)结构传输谱特性. 理论推出了两腔F-P结构传输率具体计算公式,给出在光栅中心波长处产生单谐振传输峰时,腔长与组成光栅反射率各需满足的条件. 基于理论分析结果,分两部分数值模拟了对称及非对称两腔F-P结构传输谱,讨论了计算结果并给出定性的解释,总结了腔长及光栅长度、折射率调制深度的设计原则. 结论表明,当单腔F-P结构腔长增大到阻带内出现多个谐振峰时,通过合理选取两腔结构的腔长及光栅参数,双腔F-P结构能够在整体长度不变条件下,抑制中心波长两侧的次谐振峰,而中心波长处的主谐振峰不受影响. 关键词： 光纤光栅 Fabry-Perot结构 光纤激光器     

一种新型FBG热式液体流量传感器

光纤布拉格光栅热式流量传感器目前只适用于气体流量,为扩大其应用领域,设计了一种可用于液体流量测量的新型光纤布拉格光栅热式流量传感器。该光纤布拉格光栅热式流量传感器使用陶瓷加热片以恒定功率提供热量,不同流量的液体经过传感器时带走的热量不同,通过检测光纤布拉格光栅中心波长的变化就可以测得传感器的温度变化,进而推导出液体流量大小。通过温度传感测试实验和流量传感测试实验,验证了所设计的传感器可用于液体流量测量。实验结果表明,该传感器的流量测量范围为40.575~550.664 L/h。     

光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模特性研究

分析了光纤布拉格光栅构成的法布里-珀罗（F-P）腔的透射谱特性，讨论了光栅带宽，反射系数相位因子以及腔长对F-P腔透射特性的影响，并对F-P腔随温度和应变的特性进行了分析，然后给出如何设计在光栅中心耦合波长处单模运转的法布里-珀罗腔.并提供了数值模拟结果和实验结果. 关键词： 光纤布拉格光栅 法布里-珀罗（F-P）腔 光纤激光器     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

优化光纤光栅传感器匹配光栅解调方法的研究

利用悬臂梁调谐和两个并联二次反射匹配解调光栅的方法实现了光纤布喇格光栅(FBG)传感器的高精度大范围应变传感测量.通过并联方式,选择合适的匹配光栅波长,增大了可检测的应变范围,同时解决了双值问题.应变传感信号经两路解调光栅解调,并由数据采集卡采集后,由计算机进行两路并联信号的综合处理后获取更准确的结果,使得系统性能得到提升和优化.试验结果与理论分析一致.