基于少模光纤长周期光栅叠栅的折射率传感特性

为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响,提出并制备了一种少模光纤长周期光栅传感器.该传感器利用CO_2激光器在少模光纤上先写入周期为654μm、长度为30mm的长周期光栅,然后用旋转平台将光纤旋转180°,再写入相同长度周期为819μm的长周期光栅制作而成,其传输光谱在1 487.2nm和1 533.0nm处出现两个由不同模式耦合形成的谐振峰,通过监测两个谐振峰差值的变化减少温度串扰,实现折射率的测量.实验结果表明:两个谐振峰差值在折射率1.333 3~1.376 6范围内的灵敏度为143nm/RIU,在温度20~70℃范围内的灵敏度为-0.002 5nm/℃,温度灵敏度远低于折射率灵敏度,具有对温度不敏感的特性.与传统光纤传感器相比,该传感器具有温度干扰小,折射率灵敏度高等优势,并且尺寸较小、结构紧凑,可在工业、水利、医学等领域广泛应用.     

CO_2激光写入的无需温度补偿的拍频型扭曲传感器研究

高频CO2激光在扭曲的单模光纤上制作的长周期光纤光栅(LPFG)还原后会产生谐振峰分裂现象。基于这种光栅结构,用拍频理论对谐振峰分裂现象和扭曲特性做了解释和分析,实验结果与理论分析相吻合。由于这种光栅的两分裂峰具有几乎一样的温度灵敏度,因此提出可通过测量这种光栅两分裂峰之间的距离来实现扭曲量的测量,并且当扭曲方向不一样时,两分裂峰的距离会变大或变小,因此该扭曲传感器在实现高灵敏度扭曲传感时还可辨别扭曲的方向。这种传感器在工业领域将具有良好的潜在应用价值。     

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。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

基于双峰谐振效应的镀金属长周期光纤光栅液体浓度传感器

利用长周期光纤光栅(LPFG)中的双峰谐振效应,结合表面等离子体共振(SPR)传感器的高灵敏度,提出了一种新型镀金属光纤光栅液体浓度传感器.采用双包层结构模型和耦合模理论,分析r镀金属长周期光纤光栅双峰效应的谐振特性,环境折射率的传感特性以及金属膜厚对双峰LPFG灵敏度的影响.实验上制作了具有双峰效应的镀银膜长周期光纤...     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器（英文）

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

含耐高温涂覆层长周期光纤光栅的温度特性研究

利用逐点写入法在耐高温光纤中用红外飞秒激光直接写入了长周期光纤光栅,研究了光栅的高温温度特性,并做了理论分析.通过对含耐高温涂覆层的长周期光纤光栅进行20℃～300℃的温度传感实验,结果表明:在高温段光栅的谐振波长漂移量与温度之间仍能保持大的灵敏度(0.060 5 nm/℃)和好的线性度,且光纤耐高温涂覆层不受破坏,光...     

基于扭曲长周期光纤光栅的高灵敏度压力传感器

研究了高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅在扭曲状态下的横向负载特性.发现扭曲降低了光纤光栅谐振波长横向负载灵敏度的方向相关性,使得这种光栅在各圆周方向上谐振波长对横向负载都不敏感,而谐振峰幅度随横向负载的增加线性减小,且谐振峰幅度的负载灵敏度随扭曲率的增加而提高.在扭曲率为1.8°mm－1时负载灵敏度可达0.47 dB/(g·mm－1),是自由状态长周期光纤光栅横向负载灵敏度的7倍,最后给出了利用这种扭曲长周期光纤光栅通过强度解调实现压力传感的实验研究结果.     

同时测量温度和曲率的光纤传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为-27.58nm/m-1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.     

含耐高温涂覆层长周期光纤光栅的温度特性研究

利用逐点写入法在耐高温光纤中用红外飞秒激光直接写入了长周期光纤光栅,研究了光栅的高温温度特性,并做了理论分析.通过对含耐高温涂覆层的长周期光纤光栅进行20 ℃~300 ℃的温度传感实验,结果表明：在高温段光栅的谐振波长漂移量与温度之间仍能保持大的灵敏度（0.060 5 nm/℃）和好的线性度,且光纤耐高温涂覆层不受破坏,光纤耐高温涂覆在高温下不会出现碳化现象,光栅传感性能良好.实验证明该方法制作的光栅适合于长期在高温环境下使用,应用价值巨大.     

对弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器

发现了用高频CO₂激光写入的长周期光纤光栅的谐振波长对弯曲灵敏度在圆周的不同方向上呈现周期性,且在两个特定的对称方向上对弯曲不敏感(即弯曲曲率达到1.1m^-1,谐振波长仅漂移-0.018nm).据此提出新型对弯曲不敏感的传感器和可调灵敏度弯曲传感器的设计方案,可望从根本上解决长周期光纤光栅在测量中存在的温度、应变或折射率与弯曲之间的交叉敏感问题.     

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

Bend-insensitive long-period fiber grating sensors

A novel bend-insensitive long-period fiber grating (LPFG) sensor written using focused CO₂ laser pulses is demonstrated, for the first time, to our knowledge. It is found that the central wavelength shift of such a LPFG is only −0.018 nm even for a curvature of 1.1 m⁻¹ at the most bend-insensitive position of the LPFG. Experimental results show that the bend sensitivity of the central wavelength of the LPFG has a periodic distribution along its circular directions. Such a bend-insensitive sensor could be used to solve the problem of cross-sensitivity between bend and other measurands, such as temperature, strain or refractive index, which is an unsolved problem for LPFG sensors in practice. In addition, the bend sensitivity of the LPFG can be adjusted by selecting its circular positions.     

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.     

Theoretical Research on Sensitivity for Resonance Wavelength of Long Period Fiber Grating

In a long period fiber grating(LPFG), the forward-propagating guided mode in the core is coupled to a number of co-propagating lossy cladding modes at resonance wavelengths. Sensitivity of resonance wavelength against temperature, axial strain, and external refractive index is modeled in this paper. Schemes for temperature compensation and enhanced wavelength tuning of LPFG are proposed and analyzed. Experiments show accordant results with simulations. Temperature coefficient of the LPFG compensated by means of axial strain is below 1.8 nm/100℃. For the LPFG with polymer recoating layer, the enhanced tuning range is more than 70 nm.     

Theoretical Research on Sensitivity for Resonance Wavelength of Long Period Fiber Grating

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ａｌｏｎｇｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇ (ＬＰＦＧ)ｉｓａｎｏｖｅｌｐａｓｓｉｖｅｆｉｂｅｒｅｌｅｍｅｎｔａｒｉｓｉｎｇｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ[1] .ＳｅｖｅｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＬＰＦＧｈａｖｅｂｅｅｎｆｏｕｎｄ ,ｓｕｃｈａｓ ｇａｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅｆｌａｔｔｅｎｅｄｆｉｌｔｅｒ,ｂａｎｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒ,ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ,ｓｔｒａｉｎｏｒｎｅｗｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｓ[2 ,3] .ＩｔｃａｎｂｅＵＶ ｗｒｉｔｔｅｎｏｒ…     

Unique temperature sensing characteristics of CO2-laser-notched long-period fiber gratings

Long-period fiber gratings (LPFGs) are written by use of a focused CO₂ laser beam to notch periodically on the surface of optical fibers. Temperature characteristics of the CO₂-laser-notched LPFG are investigated in detailed to develop its sensing applications. It is shown that, for such LPFG, temperature sensitivity of resonant wavelength can be increased by creating deeper notches. The coupling from the fundamental core mode to a cladding mode in the LPFG can be enhanced by increasing the ambient temperature. The polarization-dependent loss (PDL) of the LPFG depends strongly on the ambient temperature. Such unique temperature characteristics can be used to solve the cross-sensitivity problem between the temperature and the tensile strain. So, the LPFG is a promising temperature sensor based on the wavelength modulation, on the intensity modulation and/or on the PDL modulation.     

CO2激光写入旋转折变型长周期光纤光栅的制作及理论分析

提出了一种光纤横截面折射率变化呈旋转非对称变化的长周期光纤光栅（R-LPFG） 结构,并利用多层圆波导理论和横截面折射率离散分析方法,结合模式耦合方程组和数值求解方法理论分析了这种光栅的模式耦合特征.理论分析表明R-LPFG纤芯基模主要与一阶非对称包层模发生耦合,当光栅旋转度逐渐变大时,R-LPFG基模会与一阶非对称包层模的奇模和偶模同时发生耦合,这就会使原来单一的谐振峰逐渐分裂成双峰,这是常规光栅类型所不具有的透射谱特征.由于R-LPFG的双峰来自同一对耦合模式,它们对温度的响应很相似,因此可利用双峰间 关键词： 光纤传感 光纤光栅 2激光')" href="#">CO₂激光 旋转折变     

Simultaneous measurement of refractive index and temperature using dual-period grapefruit microstructured fiber grating

By cascading the long period fiber grating (LPFG) and fiber Bragg grating (FBG) in grapefruit microstructured fiber, a novel dual-period fiber grating sensor is proposed. The refractive index and temperature are measured simultaneously by using the different sensitivity of FBG and LPFG. The relationship between dual-period fiber grating transmission spectrum and refractive index, resonant wavelengths and temperature are analyzed theoretically, respectively. The simulation results show that the accuracy of the sensor in measuring refractive index and temperature is estimated to be 2319.6 nm/RIU in a range from 1.33 to 1.36 and 0.017 nm/°C from 0 °C to 100 °C, respectively. Thus, the sensor has high refractive index sensitivity, and can provide the theoretical foundation for the optical fiber biosensor.     

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