光子晶体光纤光栅谱特性的数值模拟研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化(间隙孔半径、层数)与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变、层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。     

双锥型光纤布喇格光栅光谱特性

利用传输矩阵法和有限元法分析了光栅周期、调制深度、锥腰直径和不同设计区段长度比等光栅制作参量和结构设计参量对双锥型光纤布喇格光栅光谱特性的影响.软件仿真结果表明:限定相关参量后,光栅周期增大,双锥型光纤布喇格光栅整体反射谱右移,与均匀分布光纤布喇格光栅光谱变化规律一致;调制深度增强,两主反射峰基本不变,而两主反射峰中间的次级峰个数增多,光强增大;锥腰直径减小,激发更多包层模,干涉峰个数增多,强度提升;整根光栅长度保持1cm不变,锥腰区,标准光栅区和渐变光栅区长度比直接影响次级峰的数量和幅值,随着渐变光栅区长度占比的增大,次级峰的幅值增大,同时个数减少.双锥型光纤布喇格光栅可在多参量传感器、多通道滤波器、多通道半导体激光器、色散补偿和光上下载分插复用等方面广泛应用.     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

基于长周期光纤光栅的磁场传感方案的实现

长周期光纤光栅是近几年出现的一种新型光纤器件。其耦合机理是前向传输的纤芯基模与前向传输的各阶包层模式之间的耦合 ,这与光纤布喇格光栅明显不同。它对温度、应力、弯曲及外部折射率的变化具有相当高的灵敏度 ,是一种理想的光纤型敏感结构。提出利用长周期光纤光栅谐振波长的移动或移动变化量进行磁场强度的测量 ,并进行了理论推导、仿真实验及分析研究。得出了谐振波长变化量与外界磁场强度的关系模型。分析了设计中应该考虑的因素。     

饱和长度对少模光纤光栅影响的数值仿真

对折射率剖面非均匀的少模光纤Bragg光栅(FM-FBG)的反射特性进行了数值仿真，研究了光纤侧面紫外曝光法制作的光纤光栅中饱和长度的影响.用试射法（shooting）数值求解了耦合模方程，得到FM-FBG的反射谱.仿真结果表明，在纤芯和包层边界的最大光致折射率变化量和纤芯吸收因子不变的情况下，随着纤芯折射率变化的饱和长度的增大，LP01和LP11模间的互耦合反射峰呈抛物线形变化,当饱和长度增大到一定值后，互耦合反射峰随饱和长度的增大而逐渐减小并最终消失;同阶LP模的自耦合反射峰随饱和长度的增大而增大.     

光纤光栅径向受力检测技术

对光纤布喇格光栅径向受力特性进行了理论与实验研究,给出了光纤布喇格光栅的径向受力灵敏度,并利用可调F-P标准具设计了一套解调光纤布喇格光栅反射峰劈裂值的实验系统.此系统消除了外界环境对F-P标准具初始腔长的干扰所引起的误差,系统的准确度达到了0.02 nm.     

长周期光纤光栅结构参数与透射谱关系的仿真研究

利用光纤3层模型理论,通过仿真研究发现长周期光纤光栅结构参数与透射谱的变化有规律性关系,给出了一阶低次包层模与导模耦合时透射谱的变化规律。当长周期光纤光栅的纤芯、包层的半径和折射率增大时,谐振波向短波方向漂移;当长周期光纤光栅周期增大时,谐振波向长波方向漂移;当长周期光纤光栅长度增加时,谐振波没有漂移现象,但是其深度减小。通过综合分析发现:谐振波漂移方向比较明确,但是损耗峰深度的变化并没有明显的规律。     

少模光纤长周期光栅双峰谐振及双参量传感

在少模光纤中写制的纤芯LP_(01)模式向纤芯LP_(11)模式耦合的长周期光纤光栅具有双谐振耦合现象,且该双谐振耦合峰随着温度或应变的增加向相反的波段漂移,从理论和实验上揭示了该现象产生的机理,并基于该现象及特性设计了温度、应变双参量传感器。与传统的基于纤芯基模与包层模耦合的长周期光纤光栅传感器相比,该传感器具有折射率不敏感、光谱稳定、灵敏度高等优势。     

基于匹配滤波解调的多芯Bragg光栅曲率传感器

设计了一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器,并采用匹配滤波技术实现曲率解调。多芯光纤Bragg光栅曲率传感器是通过在多芯光纤的两个中心对称纤芯中写入Bragg光栅实现的。两个光纤Bragg光栅具有相似的反射谱和中心波长,当多芯光纤发生弯曲时,两个光纤Bragg光栅的反射谱叠加区域将发生改变。将两个光纤Bragg光栅构造成匹配滤波模式,则两个光纤Bragg光栅反射谱的叠加区域面积决定了输出信号的光强,而叠加区域的面积与光纤曲率有关。因此,通过测量匹配滤波信号的功率可以实现曲率解调。结果表明,匹配滤波技术能有效解调多芯光纤Bragg光栅曲率传感器,最大曲率解调灵敏度为0.78mW·m~(-1)。此外,测量了多芯光纤Bragg光栅曲率传感器在不同轴向应变和环境温度下的解调性能,结果表明,该曲率解调系统具有很强的抵抗外界环境波动的能力。     

聚合物太赫兹光纤布喇格光栅

研究了一种基于聚合物太赫兹光纤的太赫兹光纤布喇格光栅.通过二氧化碳激光器或紫外激光器点对点加工聚合物太赫兹光纤,实现聚合物太赫兹光纤直径的周期性调制,从而实现太赫兹光纤布喇格光栅的周期性折射率调制.基于有限元方法和光纤布喇格光栅相关理论,考虑反射峰波长、反射率、带宽、光纤长度、光纤直径和光纤直径形状变化程度等因素,研究了太赫兹光纤布喇格光栅的特性.理论模拟表明,反射峰波长和光栅周期存在与传统光学波段光纤布喇格光栅不同的非线性关系.     

基于薄芯光纤模态干涉技术的曲率光纤传感器

提出了一种新的基于薄芯光纤模态干涉技术的光纤曲率传感器。在单模光纤的中间部分插入薄芯光纤用于传感光路,没有插入薄芯光纤的单模光纤用于参考光路,以消除环境对曲率测量的影响。由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发,并与纤芯模在单模光纤内形成干涉。当改变薄芯光纤的曲率时,沿纤芯和包层传播的模态和光纤长度会发生改变,使得干涉谷峰发生平移。将传感光纤的两端固定的平移台上,当调节平移台距离时,薄芯光纤的曲率发生改变,导致干涉谷峰向短波方向平移。通过观察谷峰的平移距离可以实现曲率的传感测量。实验表明,该装置具有低损耗、低成本和高灵敏度的特点。     

高灵敏度光纤应变传感器

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程,获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉,导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱,通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量,在0~500 με的测量范围内,该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感,应变灵敏度高,同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。     

基于滤波法的光纤光栅传感解调方案

FBG传感器对应变和温度的敏感体现在其反射光中心波长的变化上，因此如何测量波长的变化就成为FBG传感器的关键。在光纤光栅的多种解调方法中，因滤波法的测量器件制作简单，测量系统简易、方便直观而被广泛应用。主要介绍了8种基于滤波法的解调方法，对它们各自的成本、检测精度、测量范围、器件制作以及适用的环境进行了详细的比较，分析了它们的优缺点，以便于在不同的检测条件下选用最佳的解调方案。重点介绍了光学小波滤波解调法，探讨了其测量系统的原理，并指出该方法可用于微弱信号的检测与处理。     

基于虚拟仪器和可调谐激光技术的光纤光栅传感系统

提出了一种新颖的基于虚拟仪器(VI)和可调谐激光技术的光纤光栅(FBG)传感系统,利用可调谐激光对由光纤光栅组成的传感器阵列进行波长扫描,实现了多根光栅的复用准静态解调,并结合抖动技术和反馈环结构,使得探测信号在每一根传感光栅中心波长处过零,以提高系统在测定波长偏移时的分辨力。当反馈环工作在闭环状态下时,该系统还可对单根光栅实现动态跟踪锁定,实现单根光栅的动态解调。该传感系统的数据采集采用虚拟仪器技术,通过多通道同时输入输出实现了在线实时解调。实验采用了4根光栅组成传感阵列,获得了静态多根光栅小于1με和单根光栅动态频率10 Hz时3.3 n/εHz的解调分辨力,动态应变范围在850με。     

基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪的研究

研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪,进行了液位和曲率的测量实验,利用错位结构将纤芯模式激发到包层,包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。包层模式对外界物理量如折射率、应力的变化敏感,导致透射光谱漂移。波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系,利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。在液位实验中,在水位变化范围为1.00～5.00 cm时,波谷向短波方向漂移,灵敏度最高为-0.68 nm·cm-1,线性拟合度为0.995 4。在曲率实验中,曲率的变化范围为0.3～1.2 m-1时,波谷向长波方向漂移,灵敏度最高为22.47 nm·m,线性拟合度为0.986 4,表现出较高的灵敏度。错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪,用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接,结构和制作方法简单,灵敏度高,尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。     

基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172 nm/riu(refractive index unit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07 nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。     

Pressure sensing utilizing linear cavity erbium-doped fiber laser

In this paper, we report a fiber laser pressure sensor based on linear cavity erbium-doped fiber laser. The fiber laser structure comprises of an erbium-doped fiber amplifier, a circulator, an optical coupler and a fiber Bragg grating (FBG) which acts simultaneously as a lasing wavelength selecting components as well as a pressure sensor. The FBG is fitted to the shock tube where the pressure is applied. The fiber laser pressure sensor has a low threshold power of 7 mW, an output power of 2.28 mW and an optical signal to noise ratio over 55 dB. The proposed fiber laser sensor is expected to be an attractive choice for long-distance pressure monitoring.     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

F-P标准具温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响

F-P标准具的特性易受温度影响,温度变化时,其透射峰会发生漂移,将其应用于光纤光栅波长解调时,温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度,并分别采用温度稳定性为1.5 GHz和3 GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明:光纤光栅传感器的中心波长不同,由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同;采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528 pm和0.676 pm,重复性误差最大值分别为1.77 pm和2.01 pm。     

用光纤光栅传感器测量外压力的动态调制方法

为了提高光纤布拉格光栅压力传感器的精度和降低系统成本，提出一种使用光纤双布拉格光栅测定压力的测量方法，即在外界压力作用下，传感光纤布拉格光栅反射波长的飘移被转变成在交变力策动下发生弯曲的等强度悬臂梁调制的扫描光栅的反射光脉冲间隔的变化。实验结果表明：光纤布拉格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm；压力传感器的量程为0～6MPa时，压力的测量不确定度为0.005MPa。