光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模特性研究

分析了光纤布拉格光栅构成的法布里-珀罗（F-P）腔的透射谱特性，讨论了光栅带宽，反射系数相位因子以及腔长对F-P腔透射特性的影响，并对F-P腔随温度和应变的特性进行了分析，然后给出如何设计在光栅中心耦合波长处单模运转的法布里-珀罗腔.并提供了数值模拟结果和实验结果. 关键词： 光纤布拉格光栅 法布里-珀罗（F-P）腔 光纤激光器     

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.     

光纤光栅法布里-珀罗腔的腔、栅边缘特性分析

把组成光纤光栅法布里-珀罗腔的两个光纤光栅的初相位纳入了讨论范围,用耦合波方程推导了任意初相位下光纤光栅法布里-珀罗腔的透射和反射率的表达式.其中的相位因子包含了由光传播常数调制的腔长、光纤光栅的相位突变、光纤光栅仞相位和由光纤光栅空间频率涮制的光栅长度等四部分.分析了光纤光栅初相、由光栅空间频率调制的光栅长度两个因子对反射谱的影响,并提出了一种把光纤光栅法布里-珀罗腔等效为理想法布里-珀罗腔的方法.     

双波长相移光纤光栅的光谱特性及传感应用

建立了双波长相移光纤光栅的理论模型,对双波长相移光纤光栅的透射谱特性进行了数值仿真,结果表明透射波长间隔会分别随相移量、折射率调制深度和光栅长度的变化而有规律地增减.借助光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔谐振相位条件计算了透射峰间隔的表达式,该表达式得到的透射峰间距曲线与数值仿真得到的曲线相符合,验证了数值仿真结果的正确性.最后,在光栅透射谱波长间隔变化规律的基础上提出一种传感方案,并对光栅的温度传感特性进行分析,理论推导得到灵敏度约为60pm/℃.     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

高精细度微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜,构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪.利用ABCD矩阵方法分析厂微透镜法布单-珀罗腔的模场.由于微透镜的会聚作用,法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配,从而达到高精细度和低插入损耗.实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪,自由光谱区范围32.28 nm,精细度为78,峰值透射比为73%;在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100um的情况下,峰值透射比仍然大于50%.该微透镜光纤法布里-珀罗十涉仪制作容易、对设备要求低,可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器,具有广泛的应用前景.     

基于法布里-珀罗标准具和多光栅校准的光纤布喇格光栅波长解调系统

为了消除由法布里-珀罗标准具的干涉峰偏移引起的光纤布喇格光栅波长解调误差,采用多参考光栅进行法布里-珀罗标准具波长校准,搭建了相应的光纤布喇格光栅解调平台.将待解调光栅、法布里-珀罗标准具和多个参考光栅分别接入采样通道,用多个参考光栅对法布里-珀罗标准具进行波长校准,得到准确度较高的标准具干涉峰波长,再以此波长计算待测光栅波长,降低了校准误差.实验结果表明,利用该方法搭建的光纤布喇格光栅解调系统校准的重复性误差小于1.6pm,波长解调误差低于1.8pm.     

具有有源闭合腔的光纤光栅传感系统地址查询技术

基于熔融拉锥技术研制的3 dB宽带耦合器的光纤环形镜的工作原理,提出了一种新型的具有有源闭合腔装置的光纤光栅传感系统。在用作闭合共振腔端镜的环形镜中写入十个波分复用光纤光栅传感元,利用共振腔中接入的法布里-珀罗滤波器,通过控制电压对传感光栅的波长扫描,实现对传感地址的查询。用非平衡的迈克耳孙扫描干涉仪将传感光栅的波长漂移信息变为相移信息,实现传感信号的解调。系统传感灵敏度的实验值为1.5835°/10-6ε,与理论值(1.6662°/10-6ε)基本吻合。     

对光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模间隔问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)法布里-珀罗(F-P)腔的透射特性进行了深入分析,指出了FBG F-P腔透射谱中纵模位置的影响因素,讨论了与普通F-P腔的联系和区别.应用光栅的有效镜面模型对FBG反射主瓣内反射系数的相位因子进行线性模拟,定义了FBG有效长度的概念并得出其表达式.提出将FBG的有效长度纳入到FBG F-P腔的等效腔长中,用等效腔长来计算FBG F-P腔中的纵模间隔.数值仿真和实验结果都表明,用等效腔长计算所得的纵模间隔与实际的FBG F-P腔中的纵模间隔符合很好,误差极小. 关键词： 光纤布拉格光栅 法布里-珀罗腔 纵模间隔 有效镜面模型     

光纤光栅法布里-珀罗腔透射特性的理论研究

推导了光纤光栅法布里－珀罗腔强度透射率的解析表达式,理论上研究了这种腔的透射特性,并同普通法布里－珀罗腔做了比较;讨论了光纤光栅法布里 罗腔单模输出阈值腔长与光纤光栅长度和反射率之间的关系。     

光纤光栅径向受力检测技术

对光纤布喇格光栅径向受力特性进行了理论与实验研究,给出了光纤布喇格光栅的径向受力灵敏度,并利用可调F-P标准具设计了一套解调光纤布喇格光栅反射峰劈裂值的实验系统.此系统消除了外界环境对F-P标准具初始腔长的干扰所引起的误差,系统的准确度达到了0.02 nm.     

Microfiber Fabry-Perot interferometer fabricated by taper-drawing technique and its application as a radio frequency interrogated refractive index sensor

We propose a novel fiber Fabry-Perot interferometer (FPI) that incorporates a length of microfiber as its cavity and two fiber Bragg gratings (FBGs) as reflectors. The microfiber FPI is simply fabricated by flame-heated taper-drawing the central spot of an FBG into a section of microfiber. Ambient refractive index (RI) influences the effective index of microfiber, and thus the free spectrum range of the microfiber FPI, resulting in RI sensing. A dual-wavelength fiber laser based on the microfiber FPI is constructed, enabling radio frequency interrogation with high resolution. RI sensitivity of 911 MHz/RIU is experimentally demonstrated for microfiber FPI with equivalent diameter of 1.455 μm. Simulation results indicate that the sensitivity can be further enhanced by reducing the diameter of the microfiber.     

切趾技术对光纤布拉格光栅法布里-珀罗滤波器反射特性优化的研究

利用矩阵分析法,针对两个相同光栅构成的光纤布拉格光栅法布里-珀罗(F-P)腔滤波器进行理论分析。数值模拟分析了光栅长度变化对光栅以及F-P腔滤波器反射特性的影响,指出光栅长度增加对反射特性影响的优缺点,分析利用常用切趾函数对光栅进行切趾,减小由于光栅长度增加导致反射谱的的旁瓣增大,对组成的F-P腔滤波器的反射特性的优化,得到了光栅切趾对F-P腔滤波器的反射特性的影响规律。对于在实际应用中制作出性能优良的光纤布拉格光栅F-P腔滤波器有一定的参考价值。     

高灵敏度光纤应变传感器

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程,获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉,导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱,通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量,在0~500 με的测量范围内,该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感,应变灵敏度高,同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。     

Long-distance simultaneous measurement of strain and temperature based on a fiber Raman laser with a single fiber Bragg grating embedded on a quartz plate

We propose and experimentally demonstrate long-distance remote simultaneous measurement of strain and temperature based on a Raman fiber laser with a single fiber Bragg grating embedded on a quartz plate. A Raman fiber laser output with a high extinction ratio of more than approximately 50 dB is achieved by the fiber grating cavity. In the sensing probe, half of the fiber Bragg grating is fixed steadily on the quartz plate to respond to temperature only, while the other half of the grating is free to respond to both temperature and strain. Based on the proposed scheme, lasing wavelength shift and separation occur with temperature and strain change, respectively. Efficient simultaneous measurement of strain and temperature for long-distance sensing applications of more than 50 km is readily obtained.     

Parallel demodulation system and signal-processing method for extrinsic Fabry-Perot interferometer and fiber Bragg grating sensors

A parallel demodulation system for extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) and fiber Bragg grating (FBG) sensors is presented that is based on a Michelson interferometer and combines the methods of low-coherence interference and Fourier transform spectrum. Signals from EFPI and FBG sensors are obtained simultaneously by scanning one arm of a Michelson interferometer, and an algorithm model is established to process the signals and retrieve both the wavelength of the FBG and the cavity length of the EFPI at the same time, which are then used to determine the strain and temperature.     

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。     

Theoretical and experimental investigation of the mode-spacing of fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity

The mode-spacing of the fiber Bragg grating Fabry-Perot （FBG F-P） cavity is calculated by using the effective cavity length which contains the effective length of the FBG. The expression of the effective length, defined by using the phase-time delay, is obtained and simplified as a function of the peak reflectivity at the Bragg wavelength, the band edges, and the first zero-reflectivity wavelength. The effective length is discussed from the energy penetration depth point of view. Three FBG F-P cavities are fabricated in order to validate the effective length approach. The experimental data fits well with the theoretical predictions. The limitation of this method is also pointed out and the improved approach is proposed.     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.