基于近PMTP区域双峰谐振效应的长周期光纤光栅应变传感理论分析

利用长周期光纤光栅(LPFG)的双峰谐振效应,结合LPFG传感器工作于近相位匹配转折点(PMTP)附近的高灵敏度,提出了一种新型的长周期光纤光栅应变传感器的设计方法。利用LPFG相位匹配条件,分析了长周期光纤光栅近PMTP附近的双峰谐振特性、应变传感特性,发现双峰波长间距对微小应变具有很高的响应度和线性度。进一步讨论了光栅结构参数和包层直径对双峰LPFG应变灵敏度的影响,发现光栅周期对该传感器的应变灵敏度、线性度和应变测量范围具有很大的影响;光栅长度对谐振峰高度和宽度有较大影响,直接关系到传感器寻峰精度;通过增大包层直径,可以进一步增大应变灵敏度。结果表明,通过选取适合的光栅结构参量和包层半径,该传感器应变灵敏度可比一般长周期光纤光栅应变传感器的应变灵敏度提高2个数量级。这为设计高应变灵敏度双峰谐振LPFG应变传感器提供了结构优化的理论支持。     

长周期光纤光栅谐振波长的横向负载特性分析

在考虑波导效应、弹光效应等因素后,详细地理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的横向负载传感特性,包括谐振波长漂移及谐振峰分化后的双峰间距与横向负载、光偏振的关系,模拟计算了单模光纤长周期光栅的横向负载传感特性.理论分析和计算结果表明,长周期光纤光栅谐振波长随横向负载的漂移量和方向与光源的偏振方向有关,加载方向偏振光的谐...     

材料色散对LPFG双峰谐振效应特性的影响

采用严格的耦合理论,研究了长周期光纤光栅各层材料色散对双峰谐振效应的影响,指出芯层和包层材料色散必须同时考虑才能切实地符合实际情况.分析了材料色散对不同膜层参数下双峰谐振LPFG透射特性的影响,模拟计算了材料色散计及与否时的双峰谐振波长,两种情形下两峰偏差值分别约在1.5—2 nm和6.5—7.5 nm浮动.最后,讨论了材料色散对双峰LPFG传感器灵敏度的影响.结果表明,此类传感器对膜层折射率的分辩率高达10^-8,计及材料色散后的等高线图可为传感器灵敏度设计提供精确的参数选择组合. 关键词： 材料色散 长周期光纤光栅 双峰谐振     

基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测

研究了长周期光纤光栅(LPFG)谐振透射光谱对外界环境折射率变化的敏感特性,在此基础上提出了将混凝土内部钢筋周围环境折射率与LPFG光谱特性相结合的理论,设计了一种基于折射率测量的LPFG钢筋锈蚀监测传感器.采用LPFG透射光谱枪测技术,获取钢筋锈蚀过程中混凝土内部不同折射率环境所对应的LPFG透射光谱曲线族,进而得到...     

镀金属两层膜系长周期光纤光栅模式转换与折射率响应

基于耦合模理论,研究了镀金属两层膜系长周期光纤光栅(LPFG)的模式转换及其折射率响应特性。从表面等离子体共振(SPR)的激励条件和模式转换发生条件出发,指出镀金属两层膜系LPFG中的SPR和模式转换不会同时发生,在此基础上分析了镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率随敏感薄膜厚度的变化,发现镀金属两层膜系LPFG的模式转换区域比镀膜LPFG的转换区域要宽,且模式转换区域内第一次转换时的有效折射率变化斜率比镀膜LPFG的大,意味着在该区域其对敏感膜层的变化有更高的响应。考察了金属薄膜厚度对镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率的影响,结果表明,随着金属薄膜厚度的增加,第一次转换时有效折射率的变化斜率逐渐增加。分析了第一次转换时镀金属两层膜系LPFG透射谱对敏感薄膜折射率变化的响应特性,结果表明,镀金属两层膜系LPFG传感器对敏感薄膜折射率的灵敏度明显高于镀膜LPFG,对敏感薄膜折射率的灵敏度的分辨率可达10-6。     

腐蚀后的新型长周期光纤光栅特性研究

报道了高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的腐蚀特性,即LPFG的谐振波长随腐蚀时间的变化线性地向长波方向漂移,而其谐振峰幅值变化却很小.首次对腐蚀后的长周期光纤光栅的基础特性进行了研究,发现其温度、应变、扭曲特性都未发生改变,而弯曲灵敏度比未腐蚀时的要小.从而得出了可用腐蚀来调整长周期光纤光栅谐振波长而不改变其特性的结论.     

长周期光纤光栅实时监测复合材料固化研究

作为一种新型的光纤实时传感系统,长周期光纤光栅(Long-period Fiber Grating,LPFG)传感器受到了越来越多的关注,采用长周期光纤光栅(Long-period Fiber Grating,LPFG)传感器监测树脂传递模型(Resin Transfer Molding,RTM)工艺的流动前沿,研究了各种工艺条件对LPFG损耗波峰的影响,探讨了LPFG在RTM工艺中的应用情况.     

2μm波段低损耗长周期光纤光栅设计与制作

采用二氧化碳激光逐点刻写技术对2μm波段长周期光纤光栅(LPFG)的传输特性进行了实验研究,探索了光栅周期、折射率调制深度、光栅周期数等光栅刻写参数对光纤光栅在2μm波段特征损耗峰的影响。仿真和实验结果均表明,2μm波段LPFG的谐振中心波长和谐振峰深度可分别通过光栅周期以及光栅长度来调谐,激光扫描次数以及折射率调制都将增加光纤内模式的耦合强度。此外还探究了2μm波段LPFG对于环境温度的敏感特性,通过设计实验测得该波段LPFG的温度灵敏性为74 pm/℃。该研究在2μm波段光纤激光器及其应用的核心器件方面有潜在的应用价值。     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

Design of a coated thinly clad chalcogenide long-period fiber grating refractive index sensor based on dual-peak resonance near the phase matching turning point

A novel method for designing chalcogenide long-period fiber grating (LPFG) sensors based on the dual-peak resonance effect of the LPFG near the phase matching turning point (PMTP) is presented. Refractive index sensing in a high-refractive-index chalcogenide fiber is achieved with a coated thinly clad film. The dual-peak resonant characteristics near the PMTP and the refractive index sensing properties of the LPFG are analyzed first by the phase-matching condition of the LPFG. The effects of film parameters and cladding radius on the sensitivity of refractive index sensing are further discussed. The sensor is optimized by selecting the appropriate film parameters and cladding radius. Simulation results show that the ambient refractive index sensitivity of a dual-peak coated thinly clad chalcogenide LPFG at the PMTP can be 2400 nm/RIU, which is significantly higher than that of non-optimized gratings. It has great application potential in the field of chemical sensing and biosensors.     

表面镀层长周期光纤光栅双峰谐振及其透射谱研究

采用严格的耦合模理论,通过求解表面镀层长周期光纤光栅的特征方程,给出了双峰谐振波长的确定方法,以及它与光栅周期和模式序数之间的关系。结果表明,对应于较高次的包层模式,存在双峰谐振现象,且包层模式序数越高,与芯模产生谐振耦合所需的光栅周期越小。进一步讨论了双峰谐振波长的间距随薄膜参量与光栅参量变化的关系,描绘了这些参量对透射谱衰减谐振峰的影响,理论分析结果与X.W.Shu的无镀层长周期光纤光栅实验结果一致。这些研究为建立高灵敏的双峰谐振薄膜传感器提供了结构优化的理论支持。     

镀膜相移长周期光纤光栅大间隔双峰滤波特性

研究了镀膜相移长周期光纤光栅(PS-LPFG)工作于相位匹配转折点(PMTP)时的大间隔双峰滤波特性。LPFG工作于PMTP时,纤芯模与高次包层模耦合产生的损耗峰3dB带宽可达288nm以上,在此LPFG中点引入单个π相移时在中心波长两侧出现的两个阻带峰间隔达388nm,远大于低次包层模耦合π相移LPFG的双峰间隔。在LPFG中均匀地引入M(M>1)个π相移时,双峰间隔随M的增大而增大,M为奇数时,中心波长损耗为0;M为偶数时,中心波长损耗随M的增大而减小。薄膜折射率与厚度的增加都将使两个阻带峰向短波长方向移动并增大双峰间隔。光栅长度的增大在改变双峰峰值损耗的同时使双峰间隔逐渐减小。     

Optimal design of temperature-insensitive long period fiber gratings for athermal refractive-index sensor

Based on coupled-mode theory of long-period fiber grating (LPFG), a theoretical analysis and simulations for the optimal design of a temperature-insensitive LPFG is presented in order to achieve an athermal condition for sensing the refractive index of the external medium. Effects of the variation of the cladding radius and grating period on the temperature sensitivity of the LPFG are discussed. Both of these parameters are found to be important to control the temperature sensitivity when the thermo-optic coefficients of core and cladding materials are of the same order. Other grating parameters are also optimized in order to achieve a good contrast of the grating period with resonance wavelength in the 1.5 μm region and to sense the external medium refractive index over a wide range. Variation of external medium refractive index from 1.0 to 1.45 results a red-shift in the LPFG resonance wavelength by 86 nm with its temperature sensitivity as low as 0.008 nm/°C over a temperature range of 0–80 °C for this optimally designed LPFG.     

基于Bitaper-LPFG-Bitaper结构的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感特性

提出并制作出一种基于锥体光纤-长周期光纤光栅-锥体光纤结构的全光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪传感器,并对其温度传感特性进行了研究.实验结果表明,固定光纤锥体和长周期光纤光栅的结构,仅改变两个光纤锥体之间的距离,对应不同的M-Z干涉谐振峰呈现出不同的温度传感特性:随着两个光纤锥体之间的距离增加,位于短波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度减小,而位于长波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度增加.当传感器长度为16.5 cm时,在1 680 nm附近的温度灵敏度达到0.102 06 nm/℃.实验结果对于锥体光纤-长周期光纤光栅组合型温度传感器的优化设计具有重要参考价值.     

CO_2激光写入的长周期光纤光栅加速度传感器实验研究

基于高频CO_2激光在普通单模光纤上制作的长周期光纤光栅的应变和弯曲特性,本文设计制作了一种新型的加速度传感器.基于等强度梁理论分析了梁振动与长周期光纤光栅输出光强之间的关系,最后推导出了系统的加速度理论模型.文中搭建了长周期光纤光栅加速度计的实验测量系统.实验结果表明系统的加速度灵敏度约为2.82 v/g,准确度约为8.96×10~(-4) g,加速度测量误差约为0.82%.基于这种长周期光纤光栅的加速度计具有成本低、灵敏度较高等优点,因此在振动测量、惯性导航等方面将具有较好的潜在应用价值.     

单端面长周期光栅透射模式测量技术

为了实现长周期光栅透射谱测量模式的远距离监测,设计了单端面镀反射膜的测量装置系统,对单端面镀银膜长周期光栅的传感原理做了分析,并从实验的角度分别对单端面镀银膜模式系统和直接透射模式系统的长周期光栅在不同折射率的环境介质中的响应进行了研究,比较了它们的异同。首先,采用2×2单模光纤耦合器分别连接光谱分析仪、光源、长周期光栅。然后,在包含长周期光栅的光纤的另一个端面制备反射银膜。最后,通过测量一系列不同折射率的环境介质,比较了直接透射模式与单端面镀银膜模式下的长周期光栅的响应光谱。实验结果表明:采用波长解调表达时,对于同一种环境介质,两种模式下长周期光栅的响应光谱的谐振波长基本相同;采用功率/峰值解调表达时,随着甘油浓度从水变为80%的甘油溶液,直接透射模式下的光损耗从-6.05 d B变为-9.22 d B,单端面镀银膜模式下的光损耗从-8.03 d B变为-11.33d B。与直接透射模式相比,单端面镀银膜的长周期光栅光谱中的相对光损耗明显增加,谐振峰更尖锐,更有利于谐振波长和谐振峰光损耗值的识别。本研究设计的单端面镀银膜的长周期光栅测量系统不仅保留了长周期光栅透射谱的感应模式,而且使长周期光栅在对环境介质的测量中操作更加灵活方便,尤其是在远距离、恶劣环境或深层液体的折射率测量中具有独特的优势。