含负折射率材料空芯Bragg光纤的束缚损耗特性

将负折射率材料引入到空芯Bragg光纤包层中,形成具有正负折射率介质层交替的空芯Bragg光纤,运用传输矩阵理论对该Bragg光纤的束缚损耗特性进行分析和计算,并与传统的全正折射率介质层Bragg光纤的束缚损耗进行对比。结果发现:在最低损耗方面含负折射率材料的空芯Bragg光纤没有表现出任何优势,但在最低损耗点附近的损耗小于全正折射率介质层Bragg光纤,损耗曲线比较平滑,并且传输波长范围较宽;当空气作为一个介质层的材料时,两种Bragg光纤的束缚损耗特性几乎一致;当减小包层折射率对比时出现了与全正折射率介质层Bragg光纤不同的现象,损耗曲线变的更为平滑,说明传输波长范围变宽了。     

空芯光纤气体传感气室的优化设计

波导式光学吸收腔在气体和液体浓度测量等领域有广泛的应用前景。空芯光纤作为光学吸收腔具有很多优点。空芯光纤的参数与传感系统的性能有直接的关系。提出了一种能同时考虑空芯光纤的损耗和系统信噪比的数学模型。从理论上分析了光纤的长度、内径、目标气体浓度以及输入光场能量分布等因素对传感系统信号输出强度和灵敏度的影响。给出的最优化参数为提高系统灵敏度和补偿系统误差提供了参考。     

基于环形反射面的全光纤法-珀干涉式折射率传感器

通过在单模光纤后依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段小芯径空芯光纤,制作了一种由小芯径空芯光纤形成环形反射面的全光纤法-珀腔。由于这种环形反射面结构的中间通孔适合气体或低粘度液体进出,因此可将其应用于气体或低粘度液体的折射率测量。分析了这种结构形成光纤法-珀腔的机理,并实验研究了这种基于环形反射面的干涉式折射率传感器,得到了这种传感器用于折射率测量时的分辨率约为1.652×10-6。可以预见这种具有环形反射面的法-珀干涉式折射率传感器在有毒、易燃、易爆的气体以及低粘度液体的折射率或含量检测中具有极大的潜在应用价值。     

吸收介质膜/金属空芯光纤的太赫兹波传输特性

介质/金属结构空芯光纤是一种有发展前景的太赫兹波传输媒质.介质膜在有效增加内面反射率从而降低传输损耗的同时,其材料吸收会引起附加损耗.讨论了介质材料吸收对太赫兹空芯光纤结构参数的影响.计算结果表明,相比于无吸收的理想介质,吸收介质的最优膜厚变小.最优折射率变大.综合考虑了光纤内直径、介质膜折射率和传输波长等因素,分析了介质膜的材料吸收容限.分析结果表明,吸收容限随光纤内直径减小或传输波长增大而减小.当光纤内直径很小或传输波长很大时,吸收容限可能不存在.分析结果对介质/金属太赫兹空芯光纤的设计和材料选择具有重要参考价值.     

光纤布拉格光栅与空芯光纤多模干涉混合型温度应变双参量传感器

针对光纤应变传感器由于温度敏感而引入的测量问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应的混合型温度-应变双参量传感器。该传感器由两根单模光纤与一段内径小于单模光纤纤芯直径的空芯光纤熔接制成,其中一根单模光纤的光纤端面附近预刻一组光纤布拉格光栅。空芯光纤长度为厘米量级,光波以多模形式在空芯光纤侧壁中传播。结合光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应对温度和应变的不同响应灵敏度,通过求解双参数耦合矩阵同时获取温度和应变两个参量,并有效解决了单个传感器在温度或应变测量时的温度-应变交叉敏感性问题。采用中心波长为1 550.172 nm的光纤布拉格光栅与一段长为2.5 cm、内径为5μm的空芯光纤制备了相应的传感器,并进行了温度和应变测试。结果表明,光纤布拉格光栅和空芯光纤的温度灵敏度分别达到10.530 6 pm/℃和1.802 1 pm/℃,应变灵敏度分别达到0.720 7 pm/με和1.243 2 pm/με。     

中红外空心Bragg光纤的制备及在气体传感中的应用

空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.5-12 μ m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 μ m和 3.3 μ m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 μ m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.     

基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型气体浓度传感器.用光纤环全反镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成F-P线形腔，通过调节光栅的反射波长，使激光激射波长落在C₂H₂的一个较强的吸收峰1531.56 nm.激光激射延迟时间与激光器谐振腔损耗密切相关，气体浓度的改变将引起谐振腔损耗的改变，通过测量激光激射延迟时间可以获得气体的浓度.该装置分辨率及灵敏度由抽运光脉冲的高功率电平和低功率电平决定，传感器的动态测量范围由抽运光高功率电平决定.当高功率和低功率电平分别为25 mW和5.9 mW时,该传感器的灵敏度和分辨率分别为100 ppm/μs和20 ppm.     

镀镍光纤Bragg光栅温度传感特性实验研究

在光纤智能金属结构材料中,为了保护光纤Bragg光栅并使得传感器与基体金属有很好的结合性,在光纤Bragg光栅表面化学镀镍,并实验研究了化学镀镍前后的光纤Bragg光栅的温度传感特性.实验表明：镀镍后的光纤光栅的Bragg波长随温度变化呈现出良好的线性和重复性,Bragg光栅温度灵敏度变大.     

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。     

微纳结构光纤光谱学

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉曼等效应的微纳结构光纤光谱学的最新进展及今后可能的发展方向。微纳结构光纤对光场的束缚能力强、模场能量在空气中的比例高,可实现光和物质在其中的高效、长距离相互作用。微纳结构光纤样品池的采用,可提升传统光谱学系统的性能或构建新型的光谱学系统;应用传输光纤与其他光学元器件进行柔性连接,可促进光谱学仪器和传感器的小型化和实用化。     

Optical fiber Bragg grating hydrogen sensor based on evanescent-field interaction with palladium thin-film transducer

Fiber Bragg grating (FBG) sensors in single-mode optical fibers are widely applied for measurement of temperature and strain. If exposing FBG sensors to an external analyte by planar side-polishing technique of the fiber, evanescent-field interaction yields a Bragg wavelength shift also by changing the refractive index of the analyte. Deposition of sensor-specific transducer layers on the side-polished fiber can specify this spectrally encoding and network-capable optochemical fiber Bragg grating refractometry to the monitoring of specific substances, absorbed gases and vapors. In this paper, the sensor principle is demonstrated for the example of a hydrogen gas sensor based on a palladium thin-film transducer. Hydrogen in 0.1–4% volume concentration range can be monitored by the spectral shift of the Bragg wavelength, which is caused by the decreasing complex refractive index of Pd with increasing absorption of hydrogen.     

基于反射光谱特征辨识的光纤气压与温度集成监测方法

针对飞行器机载环境多参量综合测试需求,研究了一种基于反射光谱特征辨识的光纤布拉格光栅(FBG)气压与温度集成监测方法,给出了基于膜片式结构的双参量传感机理及其理论模型。采用基于耦合模理论的OptiGrating软件,得到不同气压与温度条件下光纤布拉格光栅传感器仿真反射光谱。在此基础上,借助弹塑性和恢复性能优良的平膜片感压机构,构建了膜片式双光纤气压/温度集成监测模型。研究表明,恒温条件下应变传感光纤光栅反射光谱随气压增加而逐渐向短波方向偏移,其中心波长灵敏度约为0.803 0 nm·MPa-1,且反射谱主峰及其旁瓣峰值均随气压变化呈现良好线性关系;当气压恒定而温度变化时,处于仅感温不受力状态的温度传感光纤光栅反射光谱中心波长灵敏度约为9.39 pm·℃-1;当气压与温度交叉变化时,能够实现对变温条件下的微小气压变化实时监测。传感光纤光栅受非均匀应变效应反射光谱存在一定啁啾现象,其反射光谱旁瓣峰值波长随环境温度、气压变化均会发生偏移,具有良好线性关系,且在不同气压下反射光谱对应的同一阶数旁瓣峰值幅度相等。该研究能够为航空航天器系统多物理参量在线综合测试提供有益帮助。     

新型光纤光栅水声传感器的研究

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感-解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100~200 dB re 1μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。     

光纤化学传感技术研究近况

光纤化学传感器作为传感器的一个重要分支,结合了化学和光学的相关技术,将化学制膜、光纤技术以及化学分析中的分光光度法、拉曼光谱、荧光光谱、折射率检测等方法相融合,以其微型化,抗电磁干扰,传输信息量大,拥有自身参比等特点不断向前发展。简要综述了光纤化学传感技术研究近况和未来的发展趋势。重点对光纤pH化学传感器、光纤离子化学传感器和光纤气体化学传感器进行了介绍。简要分析了常见的敏感膜制备方法如化学键合法和溶胶凝胶(sol-gel)等方法。新型光纤——微结构光纤的出现为光纤化学传感器开辟了新的发展方向。由于其具有大的内表面积,结构设计灵活多样,光纤内部提供感应场所等特点,快速度成为光纤化学传感器的重要发展方向和研究热点。对微结构光纤衍生而来的新型光纤化学传感器进行了详细评述, 最后对光纤化学传感器的未来进行展望。     

Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating

A new type of underwater acoustic sensor is proposed with an optical fiber Bragg grating (FBG). Because of the photoelasticity with respect to the refractive index and the elasticity of the fiber, the sound pressure in water modulates the Bragg reflection wavelength and, in turn, the intensity of the laser light transmitted through the FBG fiber. Good linearity between the detected signal and the sound pressure is obtained in the range from 81 dB to 140 dB re 1 μPa. Since the upper and lower limits of the acoustic signal level for operation of the sensor are limited by the driving circuit and the transduction of the sound in water, the sensor is expected to operate with much larger dynamic range both at higher and lower pressure levels. Operation of the sensor is very stable with the insertion of optical isolators into the system, although without the isolators the output signal fluctuates at low frequency due to the Fabry-Perot interference effect between the FBG and the various facets.     

光纤光栅传感信号解调技术研究进展

光纤光栅传感器是一种新型传感器,有着非常广泛的应用前景。限制光纤光栅传感器大量实际应用的主要障碍是传感信号解调,因而,光纤光栅传感信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文对现有已报道的光纤光栅传感信号的解调方法进行综述,并归类为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉法。对各种方法的原理及相关改进方法进行了阐述,并对其优缺点做了比较分析,最后,对光纤光栅传感信号的解调技术发展进行了展望。     

探测氢气泄漏的布拉格光栅型传感器

介绍了布拉格光栅型氢传感器的工作原理,开发出一种新型的由布拉格光栅和溅射钯膜组成的氢气敏光纤传感器。分析了此传感器的应力传递过程,建立了最大波长漂移量与氢浓度关系的数学模型。通过试验研究了光栅的氢响应特性,理论模型预测的最大波长漂移量与试验结果十分吻合。     

Fiber torsion sensor demodulated by a high-birefringence fiber Bragg grating

A new high-birefringence (Hi-Bi) fiber torsion sensor demodulated by a Hi-Bi fiber Bragg grating (FBG) is proposed in this study. The twisted Hi-Bi fiber sensor characteristics are analyzed using the Jones matrix. The intensity ratio from two reflected Bragg wavelengths is associated with the twist angle of the measured Hi-Bi fiber. It is found that the twist angle resolution is estimated at around 0.3° under ±0.1 dB readout from an optical spectrum analyzer if the polarization state of the light source is stable. The advantages of this new torsion sensor are: (1) insensitivity to intensity variations from the light source, (2) insensitivity to the torsion gauge length, and (3) absolute measurement in the twist angle. However, the polarization state of light in the proposed method needs to be controlled, and any birefringence change in the twisted Hi-Bi fiber needs to be prevented.     

聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及其低温特性

介绍了一种新型的光纤光栅温度传感器。这种光纤光栅温度传感器使用了特殊的工艺将光纤布拉格光栅封装于一种热膨胀系数较大的有机聚合物基底中 ,使得传感器的温度灵敏性比裸光纤光栅提高了 12 .3倍 ,其温度灵敏度系数KT 达到 82 .6 9× 10 -6/℃。在 - 80～ 0℃的低温度范围内 ,对这种新型光纤光栅温度传感器的反射谱进行了测量。研究了这种新型光纤光栅温度传感器的低温特性 ,并与裸光纤光栅和铝基封装的光纤光栅进行了比较 ,结果表明这种新型的光纤光栅温度传感器具有很好的低温响应特性。