基于激光器激射特性的新型应变传感系统

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型应变传感系统.用光纤环反射镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成Fabry-Perot线型腔.腔内插入一个长周期光纤光栅(LPG)，其透射谱的中心波长为1574.4nm.FBG的带宽为0.23nm，不受力时其反射波长为1557.98nm，位于LPG的透射谱左沿；当FBG受力时激射波长向长波方向移动，激光通过LPG时透射损耗增大，腔损耗的增加将使激光激射延迟时间增加.因此，应变的大小可以通过激光产生的延迟时间来测量.这种新型应变传感器的分辨率和灵敏度由抽运光脉冲的高、 关键词： 应变传感 光纤激光器 时域测量 光纤Bragg光栅     

基于窄频分布反馈激光器和光纤光栅的加速度传感器

提出了一种用窄频分布反馈半导体激光器作为光源,光纤光栅作为传感元件的振动传感系统.给出了这个系统的工作原理和系统组成,设计了光纤光栅传感器的悬臂梁增敏封装形式.通过实验测量得到了频率响应曲线和加速度响应曲线,结果表明悬臂梁一端悬挂的质量块的质量越大,灵敏度越高,但共振频率也相应降低.同时讨论了不同黏度的硅油对共振的抑制效果以及系统灵敏度与分布反馈激光器输出波长的关系.     

基于3D打印技术的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器研究

设计一种融入3D打印技术,实现在高电压、强电磁场环境下检测振动信号的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器。通过3D打印机制作而成,由粘贴于简支梁的光纤Bragg光栅受质量块驱动而产生应变,通过解调光栅波长变化量实现对振动信号的检测;有限元分析振动传感器谐振频率为232.47Hz,应变灵敏度为5.826με·g~(-1)时,加速度灵敏度为6.991pm·g~(-1),表明了传感器理论上的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度良好。实验结果表明:传感器谐振频率为240Hz,加速度灵敏度为6.270pm·g~(-1),线性度为3.3%,表明了传感器实际的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度;材料选用全绝缘的尼龙材料,具有良好的绝缘性。     

温度/应变/扭曲三参量同时测量低成本传感系统

提出了一种利用布喇格光纤光栅反射光作信号源、高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅和超周期光纤光栅作传感器实现温度、应变和扭曲同时测量的全光栅型低成本强度解调传感方案.文中利用长周期光纤光栅边缘滤波效应实现了温度、应变和扭曲传感信号的实时解调.实验结果表明，其温度和应变的测量灵敏度分别为－0.211 dB/℃和－0.012 dB/10με；而扭曲率的测量灵敏度为0.4394 dB/(rad·m－1)，是该法写入普通LPFG的4倍以上.     

一种有源型光纤水听器原理与实验分析

分析了一种有源型光纤水听器的水声传感原理,在一段掺铒光纤中写入具有π相移的光纤光栅构成光纤激光器,水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位,采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息.水声探测实验表明,有源型光纤水听器的声压灵敏度为-166.5 dB(参考值1 rad/μPa).将不同工作波长的四元光纤水听器串接于一根光纤内组成水听器阵列,使用带通波分复用器将阵列发出的激光分离至各独立通道后检测出相应的声压信号,测得水听器之间的级串扰小于-60 dB,且单元水听器水声响应的动态范围不受影响.     

一种平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

阐述了一种平面薄板结构的平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头的工作原理,从理论和实验上分析研究了该探头的结构灵敏度、频率响应特性以及加速度响应特性。平面圆形薄板采用不锈钢,尺寸为:直径15 mm、厚度0．15 mm,探头为圆柱型,尺寸为:直径17 mm、长20 mm。对于该尺寸结构的FBG水听器,探头静态灵敏度可达23 fm/Pa,比裸光栅增敏7300倍;谐振频率为6．5 kHz,而且幅频特性在100 Hz～5．5 kHz频率范围内较为平坦;低频段加速度响应灵敏度为:58～75(fm·s~2/m),在1 m/s~2加速度作用下其输出等效(2．52～3．26 Pa)压力作用下的输出。该结构的探头也便于多路复用组成水听器阵列。该平面结构不仅可以组成光纤FBG水听器探头,同样可以组成光纤光栅激光水听器探头。对薄板的几何尺寸进行适当的调整,可实现不同量程、不同带宽的水声压力测量。     

基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器

为满足低频振动信号精确测量的实际需要,设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。进行了结构理论分析,并通过Matlab仿真讨论了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,进行了参量优化设计。根据理论分析结果制作了加速度传感器并对其加速度灵敏度的幅频特性、线性响应和抗横向干扰特性进行了测试。实验结果表明,L形刚性梁的传动结构有效增强了结构稳定性,消除了传统悬臂梁结构带来的光纤光栅啁啾或反射谱多峰现象。加速度传感器在20~70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,加速度灵敏度可达220 pm/g,线性响应的相关度为99.98%;金属膜片使得该传感器具有较强的抗横向干扰能力,在工作频段内横向串扰为-32.73 d B。     

带加速度补偿平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

针对平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头加速度响应明显,影响它对正常声压进行探测的需求,提出了采用加速度补偿措施进行加速度去敏这一有效方法.从理论和实验上分析研究了带加速度补偿平面型光纤FBG水听器探头的结构灵敏度、灵敏度频率响应特性和加速度响应特性.结果表明:采用加速度补偿措施后,单位加速度(1m·s-2)响应输出的等效作用声压由2.52～3.26 Pa降为0.0758～0.217 Pa.同时,探头结构灵敏度由28 fm/Pa减小为20 fm/Pa,动态谐振频率由6.2 kHz增高为6.52 kHz.谐振频率的增加有助于提高水听器系统的动态响应特性,而结构灵敏度的降低,可以通过提高FBG动态波长解调仪的灵敏度来进行补偿.本来,光纤光栅或光纤光栅激光水听器系统可探测灵敏度主要由解调仪灵敏度决定,而不是由探头结构灵敏度决定.所以,该加速度补偿措施具有很大的实用性.     

基于马赫-曾德干涉的全光纤双参量传感器

提出一种基于S形-错位结构的全光纤马赫-曾德干涉仪（MZI）双参量传感器。该传感结构是采用单模光纤在光纤熔接机中通过简单的放电和熔接等步骤制备而成。顺时针扭转时, 传感器的传输光谱向短波长方向偏移; 逆时针扭转, 向长波长方向偏移。对传感器的实验研究结果表明,该传感器在光纤横截面上顺时针和逆时针两个旋转方向上的扭曲传感灵敏度分别为?223 pm/(rad·cm?1), 140 pm/(rad·cm?1),且可实现扭转方向的判别,在一定应变范围内的应变灵敏度为0.145×106 dB/ε(这里ε为应变),且温度交叉灵敏度极小,可忽略不计。因此,这种基于单模光纤的纤芯-包层MZI双参量传感器具有传感灵敏度高,体积小巧,工艺简单,成本低廉且可判别扭转方向的优点,有望成为众多双参量测量操作中良好的候选仪器之一。     

基于薄包层极大倾角光纤光栅的灵敏度增强型振动传感器

提出了一种薄包层极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器,采用基于标准单模光纤的极大倾角光纤光栅,从理论上分析包层半径的减小对波导色散因子、包层模的有效折射率、轴向应变灵敏度因子、轴向应变灵敏度及模式阶数的影响,并进行数值仿真,为其振动传感增敏方法提供理论依据。然后使用氢氟酸腐蚀光纤包层,构成不同直径的极大倾角光纤光栅并进行相关振动传感实验。实验结果表明:在40~200 Hz的频率范围内,随着包层直径的减小,极大倾角光纤光栅振动传感器在C波段的同阶和不同阶TE/TM模加速度灵敏度逐渐增大,且两者之间具有较好的线性关系;其中,同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度分别可达到100.46 mV/g与88.68 mV/g,相对于标准直径极大倾角光纤光栅振动传感器分别提高了1.36倍、1.53倍;不同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度可达到159.35 mV/g与133.37 mV/g,分别提高了2.15倍、2.31倍。     

绝对重力测量中振动传感器振动补偿性能的分析

绝对重力测量的精度主要受振动噪声的限制.振动补偿是一种简单可行的振动噪声处理方法,它通过传感器探测振动噪声来对测量结果进行修正.现阶段对于不同传感器的振动补偿性能缺乏系统的分析与评估,仅停留在应用阶段.本文从理论出发分析了传感器性能对补偿效果的影响,并通过实验评估了不同振动环境下不同传感器的振动补偿性能.实验结果显示,采用低噪声地震计的振动补偿效果主要受带宽和量程的限制,在安静环境下可实现优于百微伽的单次测量标准差,但补偿效果随振动噪声高频成分的增强而降低,在动态环境下地震计则受量程限制而无法工作.采用加速度计的振动补偿效果主要受分辨率的限制,在复杂和动态环境下均可实现毫伽量级的单次测量标准差.本文为振动补偿技术应用于绝对重力测量提供了振动传感器选型的理论和实践依据,有望为振动补偿技术的进一步发展提供技术支撑.     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

In-fiber integrated accelerometer

A compact in-fiber integrated fiber-optic Michelson interferometer based accelerometer is proposed and investigated. In the system, the sensing element consists of a twin-core fiber acting as a bending simple supported beam. By demodulating the optical phase shift, we obtain that the acceleration is proportional to the force applied on the central position of the twin-core fiber. A simple model has been established to calculate the sensitivity and resonant frequency. The experimental results show that such an accelerometer has a sensitivity of 0.09 rad/g at the resonant frequency of 680 Hz.     

锶原子互组跃迁谱的实验研究

观测了热原子束中锶原子(5s²)¹S₀—(5s5p)³P₁ 互组跃迁的荧光谱和饱和荧光谱, 实验测定了不同的参量下 ⁸⁸Sr(5s²)¹S₀—(5s5p)³P₁ 互组跃迁荧光谱. 研究结果表明: 不同的实验参数(温度、激光光强、激光扫描频率)对谱线有较大的影响, (5s5p)³P₁态的长寿命特点导致谱线强度随激光扫描频率呈倒数关系变化; 由于Doppler增宽, 渡越增宽等因素的影响, 谱线线宽远大于其自然线宽且随激光扫描频率呈正比关系变化.     

拖曳线列阵用光纤水听器的研究

报道了光纤水听器用于拖曳线列阵的研究结果。在保证光纤水听器声相位灵敏度的前提下, 优化设计了光纤水听器的结构,降低了光纤水听器的加速度灵敏度36dB。实验测得在20-1600Hz 频段,该光纤水听器的相位灵敏度为-162．7dB,频段内灵敏度的起伏为±0．7dB,加速度灵敏度小于-30dB。     

Te基远红外硫系玻璃光纤的制备及性能分析

随着光学技术由可见向中、远红外等长波长领域的发展,可透远红外的玻璃光纤研究成为近年来光学领域的发展热点之一.传统含Se的Te基硫系光纤无法工作于12μm以上的远红外.本文研究了新型GeTe-AgI硫系玻璃体系的提纯制备,利用挤压技术,制备了阶跃型GeTe-AgI远红外光纤,其光学损耗为:15.6 dB/m@10.6μm,整体低于24 dB/m@8—15μm.在实验过程中,首先采用传统的熔融-淬冷法和蒸馏纯化工艺制备了GeTe-AgI高纯玻璃样品.利用差示扫描量热仪、红外椭偏仪、红外光谱仪等测试了玻璃的物理性质和红外透过性能,分析了提纯工艺、AgI原料纯度对玻璃形成以及透过的影响,最后采用分步挤压法制备了芯包结构光纤.实验结果表明:蒸馏提纯和AgI原料纯度对玻璃的透过性能有着决定性的影响,同时Te含量的增加影响了玻璃的抗析晶能力,但新型挤压制备工艺和有效提纯技术共同保障了较低损耗Te基光纤的制备,所获得的GeTe-AgI光纤具有远红外宽谱应用的潜能(工作波段5.5—15μm)并且绿色环保,可以满足CO_2激光的能量传输和远红外传感应用.     

高功率宽带射频调制连续激光源

射频强度调制激光作为激光雷达系统的载波可以有效提高系统的抗干扰和抗散射能力,高功率宽带射频强度调制光源是实现高分辨率远距离探测的关键.本文采用在Nd:YAG激光器的耦合腔中插入一对四分之一波片的方法实现了频差调谐范围为30 MHz—1.5 GHz的双频激光输出,结合光纤振荡功率放大技术,将双频信号光功率放大为50 W.耦合腔双频种子源具有良好的功率和频率稳定性,输出功率为9.5 mW时,功率标准差为0.145 mW,稳定性为1.52%,输出双频激光的频差为250 MHz时,拍频的标准差为1.6144 MHz.种子光进行三级光纤功率放大,得到50 W双频激光输出.放大后的双频激光功率波动范围小于0.1 W,双频拍频的标准差为1.777 MHz,很好地保持了放大之前的功率稳定性和双频频差稳定性.     

Compact fiber optic accelerometer

A compact fiber optic accelerometer based on a Michelson interferometer is proposed and demonstrated. In the proposed system, the sensing element consists of two single-mode fibers glued together by epoxy, which then act as a simple supported beam. By demodulating the optical phase shift, the acceleration is determined as proportional to the force applied on the central position of the two single-mode fibers. This simple model is able to calculate the sensitivity and the resonant frequency of the compact accelerometer. The experimental results show that the sensitivity and the resonant frequency of the accelerometer are 0.42 rad/g and 600 Hz, respectively.     

一种具有声低通滤波特性的无源零差光纤水听器

报道了一种新颖的具有抗混叠功能的无源零差迈克耳孙型光纤水听器.它由一个普通的芯轴型光纤水听器和一个圆柱型亥姆霍兹共振器构成.在驻波罐中对其声压相位灵敏度频响进行了测量,结果表明该光纤水听器具有较好的声低通滤波特性,能有效地抑制声信号中的高频成分,从而实现抗混叠滤波.该光纤水听器的低频声压相位灵敏度主要由传感光纤长度和弹性增敏层的物理特性决定,约为-159 dB(0 dB=1 rad/μPa).在1150 Hz附近出现了一个共振峰,这主要由圆柱型亥姆霍兹共振器的声学特性决定.1150～2280 Hz频段内的灵敏度衰减率约为50 dB/倍频程,1500 Hz以后的灵敏度衰减量大于10 dB.这对于提高我国未来声纳系统的抗干扰能力具有十分重要的意义.