基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器的特性分析

本文提出了一种基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器, 与普通光纤布拉格光栅型全光纤声光可调谐滤波器相比, 该滤波器能够对光纤叠栅的两个中心波长进行同步调制. 理论分析了声波频率和声致应变幅度对基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器的传输光谱的影响, 结果表明, 各阶次反射峰分别以两个主反射峰为中心呈对称关系, 且主反射峰与其所调制出的次反射峰之间的波长间隔与声波频率成正比, 而两个主反射峰所调制出的同阶次反射峰之间的波长间隔与声波频率无关; 声致应变幅度主要影响主反射峰及次反射峰的反射率的变化. 实验中, 分别测试声波频率为390 kHz和710 kHz的基于光纤叠栅的全光纤声光可调谐滤波器的传输光谱, 实验结果的变化趋势与仿真分析结果相一致.     

膜层传输矩阵理论在布拉格光纤光栅分析中的应用

利用膜层传输矩阵理论研究折射率调制对布拉格光纤光栅传输特性影响.根据传输矩阵理论计算光栅折射率的调制幅度、光栅长度、调制方法等对布拉格光纤光栅的反射率、反射峰波长和半幅宽度的影响.结果表明:膜层传输矩阵理论与传统传输矩阵法、耦合模理论对布拉格光纤光栅特性分析结论一致;采用高调制长度、低调制幅度可以获得良好的布拉格光纤光栅反射峰,而反射主峰位置改变需用调整调制周期.实验和理论对比分析了主峰在1 550nm波长的布拉格光纤光栅反射峰情况,验证了该方法的可行性.与传统方法相比,膜层传输矩阵法计算公式简单、运行速度快,可应用于布拉格光纤光栅辅助设计.     

非啁啾取样光纤布拉格光栅反射峰值波长的分析

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(SFBG)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。     

光子晶体理论应用于光纤布拉格光栅的研究

将光纤布拉格光栅近似为一维光子晶体，研究光栅的能带结构和光学传输特性。利用平面波展开法对光子晶体进行理论研究，将研究方法移植到光纤布拉格光栅上，并对其进行数值分析，得到光栅的传输特性。研究表明，光栅反射谱有多个反射峰，峰值中心频率是基频的整数倍，而且峰值处存在光子带隙，反射峰带宽对应光子带隙宽度，中心频率和带宽随光栅长度、高介电常量材料占空比、调制深度而变化。结果与传统的耦合模理论一致。     

用于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的改进的Rouard算法

比较了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔的极限法、平衡法及传输矩阵法3种算法,证明了它们是一致的,指出了光纤布拉格光栅复振幅传输矩阵的相移特性对法布里一珀罗腔透射率的影响.对计算任意折射率调制的光纤布拉格光栅的Rouard算法进行了改进,在分层方法中考虑了折射率分布初始相位的影响,获得了更为准确的反射复振幅相位特性,将该结果应用于计算光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔,得到了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔具有多峰结构的透射谱,并经过实验验证了该理论的正确性.     

基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器

为了实现在侧边抛磨光纤（SPF）上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶（DCG）作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9 dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。     

动态应变场下相移光栅光谱特性及实验研究

光纤传感技术以其抗电磁干扰、高精度、易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。针对光纤光栅声发射监测系统,目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性,基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件,重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。首先利用传输矩阵理论,建立PS-FBG的动态应变传感模型,利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。通过数值仿真,详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、采样时刻、衰减系数、声发射频率及波长的响应特性。结果表明,PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化,具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移,而带宽变化不明显;随着动态应变场幅值越大,PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多,透射窗口所对波长漂移很小;一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大;而当声发射波长为0.1～2 L时,对PS-FBG光谱产生较大影响,此时光谱畸变较严重,在此范围外,光谱形状不发生明显变化。最后,搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台,分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性,实验结果与仿真结果较好吻合。表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同,呈现一定规律性,该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。     

π相移光纤光栅水听器的超声波传感指向特性

π相移光纤光栅因具有较短的有效光栅传感长度,近年来成为了超声传感领域的研究热点.本研究旨在探究π相移光纤光栅作为水听器应用时对超声波的指向性特性.选取π相移光纤光栅作为超声传感单元,先基于分层介质的声传播理论计算出水中超声波入射时光纤纤芯的应变,再运用基于光学耦合模方程的传递矩阵法计算反射光谱得到光波长偏移.将角度-频率空间分为三个区域,计算了声波频率在1—10 MHz时不同角度下的应变结果和光波长偏移响应特性,并开展了实验研究.结果表明,理论和实验结果具有较高的一致性,π相移光纤光栅在超声波垂直光纤入射时响应最大,随声波入射方向与光纤法向间夹角的增加,π相移光纤光栅的声响应先急剧下降,后在水中直达声波和光纤中导波叠加时出现极大值.此外,π相移光纤光栅的声响应随声波频率增加而降低.本研究对π相移光纤光栅在超声传感中的实际应用具有重要意义.     

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.     

光子晶体光纤重叠光栅理论模型与光谱特性研究

本文对光子晶体光纤重叠光栅的传输光谱及特性进行了研究.在理论上,提出了基于V-I传输矩阵法的光子晶体光纤重叠光栅分析模型,仿真研究了布拉格叠栅和啁啾叠栅的反射谱和时延特性.在实验上,利用193 nm紫外激光在光敏单模光子晶体光纤中实验制备了定制波长间隔的四重布拉格重叠光栅和波长间隔0.82 nm的啁啾重叠光栅.研究结果显示布拉格光栅的重叠光栅可通过各子光栅写制参数实现光谱灵活定制;基于啁啾光栅的重叠光栅具有周期性宽带滤波特性,谐振周期可由光栅周期偏移调整,且具有平坦的幅度响应和呈良好线性的群时延.实验所得光栅光谱与理论分析很好地符合.研究结果为光子晶体光纤重叠光栅的设计、制备及应用提供了重要的参考依据.     

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。     

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。     

Fiber optic liquid leak detection technique with an ultrasonic actuator and a fiber Bragg grating

We present a technique for liquid leak detection in which ultrasonic and optical waves are introduced into a fiber simultaneously. The system is based on an ultrasonic technique using an ultrasonic actuator and a fiber Bragg grating receiver. A fiber-guided ultrasonic wave is utilized to stress the fiber Bragg grating, which is remote from the ultrasonic transmitter. When the traveling ultrasonic wave encounters a liquid, part of the wave will leak out from the fiber, which results in an ultrasonic strain decrease in the fiber Bragg grating. The ultrasonic wave and its attenuation are detected by the light variation of a narrowband laser source reflected and transmitted from the fiber Bragg grating, and the amplitude variation of the ultrasound can eventually be correlated with the fiber area coupled with the liquid.     

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.     

Experimental study of an actively mode-locked fiber ring laser based on in-fiber amplitude modulation

We report an experimental study of an actively mode-locked fiber ring laser based on the development of an efficient in-fiber amplitude modulator. Intermodal coupling induced by standing flexural acoustic waves permits the implementation of broad bandwidth (1.5 nm), high modulation depth (72%), low-insertion-loss (0.75 dB), in-fiber amplitude modulators, operating in the MHz frequency range. The experimental characterization of the laser as a function of the radio frequency voltage that controls the modulator, the length of the active fiber, and the optical bandwidth of an intracavity filter implemented with a fiber Bragg grating has led to an improved performance of the Erbium-doped fiber laser: optical pulses of 34-ps temporal width, 1.4-W peak power, and 4.75-MHz repetition rate.     

Acoustic-induced switching of the reflection wavelength in a fiber Bragg grating

Coupling between copropagating core and cladding modes was implemented by acoustic generation of lateral vibration of an etched fiber. When these coupling processes were combined with counterpropagating coupling of a core mode and a cladding mode and the Bragg reflection of a fiber grating, switching of reflection wavelength between the Bragg wavelength and cladding-mode coupling wavelengths was achieved. We report the implementation of such acoustically induced switching behaviors and explain their operation principles. The implemented results can be used for wavelength-division multiplexed add-drop filtering.     

植入碳纤维蜂窝夹芯结构的光纤光栅热载荷响应光谱研究

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求,研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅(FBG)反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层,通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱,得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。研究表明,碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高,中心波长向长波方向漂移,且波形未出现明显改变。埋植于外蒙皮第二、三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、多峰等啁啾效应,其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移,主峰峰值幅度变化较小,温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1,而右侧次峰幅度显著增大,温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1;埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低,其半波峰带宽逐渐增大,变化率约为3.19 pm·℃-1,且出现显著多峰趋势,这是由于层间热应力分布不均匀所形成。在-70~+60 ℃温度范围,各植入层热应变均随温度升高而增大,且变化趋势相接近,而在+60~+120 ℃温度范围内,各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。     

用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅

介绍了一种用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅的方法。采用氢氟酸腐蚀布拉格光纤光栅, 使光栅的横截面沿光栅轴向逐渐变小, 然后对光栅施加１．５０ Ｎ的拉力, 在光栅轴向建立应变梯度, 制作出长１５ ｍ ｍ 、峰值反射率达９２％ 、反射半高宽为５ ｎｍ 的啁啾光纤光栅。