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。     

基于红蓝宝石光纤传感头的多通道光纤温度传感器

为了实现从室温到1000℃范围内的多点温度实时测量,基于红蓝宝石光纤传感探头,研制了一种连续快速温度测量的多通道光纤温度传感器.该系统结合了荧光测温和辐射测温原理,可同时测量8个传感探头的温度随时间的变化信号.提出基于面积平衡计算的数字迭代算法用来计算荧光寿命.与快速傅里叶变换算法的仿真对比结果表明,该算法计算速度快、抗噪声能力强、结果稳定性好、测量精度高.对系统进行长期的温度和稳定性实验,结果表明该系统具有较高的稳定性和测量精度,测温范围从室温到1000℃,精度达±1℃.     

光源加热型高灵敏度光纤热式风速计

针对光纤热式风速计需要专门的泵浦激光或加热电阻所带来的成本增加和操作不便,提出了基于光源自加热效应的高灵敏度光纤热式风速计。首先在单模光纤端面用紫外光固化胶制作法布里-珀罗干涉仪并将其作为传感探头;然后利用传感探头对输入宽带光源的吸收所产生的热量,获得自身较高的初始温度;最后测量传感探头在气流作用下温度降低及应变所引起的干涉光谱的波长漂移量,根据波长漂移量与风速的特定关系来实现风速测量。在0～7 m/s的风速范围内对传感探头进行测量,结果表明传感探头获得高达-3.13 nm/(m·s^-1)的风速灵敏度,响应时间约为250 ms。     

基于单端探测温度和折射率的MZI光纤传感器

提出并演示了一种基于单端探测的光纤传感器,可同时测量温度和折射率。微结构光纤探头由两个玻璃光纤微球拼接在一起,并在该探头的末端利用真空电子束蒸镀一层铝膜以增加反射,从而形成微球结构的马赫-曾德尔型光纤传感头。实验结果表明,该器件的温度灵敏度和折射率可分别达到50.77 pm/℃和-21.94 nm/RIU。这项工作提出了一种低成本、高分辨率的基于光纤方法实现的多功能传感应用。单端探测的马赫曾德尔型光纤传感器小尺寸的优势可应用到小体积气体的测量,而它的全二氧化硅设计提供了高温或化学严酷环境的兼容性。     

一种反射型全光纤氢气传感器的设计EI北大核心CSCD

介绍了一种基于光子晶体光纤(PCF)干涉仪的新型氢气传感器。该传感器采用反射式光路设计,在氢气传感单元中引入一段PCF。该PCF的一端以及一部分包层外壁在真空条件下蒸镀了一层金属钯膜,另一端接入光路,构成一套全光纤氢气传感系统。实验中记录了氢气浓度(体积分数)从0到5%变化时传感单元对应的干涉谐振波长的变化,谐振波长最大的移动可达1.2nm,相比大多数基于布拉格光栅的光纤氢气传感器,相同条件下灵敏度有很大的提高。整套传感系统未引入任何分立的光学元件,在兼顾了全光纤光路的条件下,实现了较高的检测灵敏度。     

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

基于波长扫描的差分吸收光纤煤矿瓦斯传感系统设计

以1 330 nm波段的超辐射发光二极管为光源,利用可调谐光纤法珀滤波器为滤光元件,设计了一套光纤煤矿瓦斯传感系统.该系统采用了参考测量方法和差分吸收技术:一路参考光被引出用以消除光源波动的影响;扫描光纤法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长,在实现差分吸收测量的同时,避免了不同滤光元件性能差异和中心波长漂移的影响.实验结果表明,所设计的光纤煤矿瓦斯传感系统的最低可探测甲烷浓度为0.15%.     

光纤麦克风传感探头设计的理论分析

鉴于光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰且光纤本身的低损耗、耐腐蚀和安全可靠等优良特性,将光纤传感器应用到麦克风中可使麦克风的体积显著降低而灵敏度和抗电磁干扰性显著提高。提出一种新型反射式光纤麦克风的设计方法,采用Y形单根多模反射式光纤传感探头结构形式,给出了光纤麦克风的系统框图。由光纤出射光场分布理论出发,给出弹性膜片在声场作用下,中心形变大小h与出射光光强调制函数I(Z″)的关系。根据实际应用中有关参数的取值,用Matlab软件模拟出膜片形变后变形量h与光强调制函数I(Z″)的关系曲线。     

陶瓷封装对光纤光栅体温测量探头效果的影响

利用陶瓷封装技术,设计并制作了多只光纤光栅温度传感头,测试了探头的测试灵敏度、稳定性、重复性、响应速度等多个参数受封装加工形式的影响。实验采用恒温水浴装置,在36℃~45℃的温度范围内使用了中心波长位于1 540 nm和1 550 nm附近的多只布拉格光纤光栅进行了对比测量。实验结果表明:陶瓷封装布拉格光纤光栅的波长/温度响应度为9.815 pm/℃,测量标准偏差为0.08 ℃。     

高灵敏度双光纤布拉格光栅应变传感实验教学系统

设计了基于双光纤布拉格光栅(FBG)的高灵敏度应变光纤传感实验教学系统.两只具有不同反射中心波长(1 546.209 nm和1 541.713 nm)的FBG串联熔接后,分别黏贴于等强度悬臂梁的上表面与下表面.通过测量两只FBG的反射中心波长差值与等强度悬臂梁应变量的关系,实现对应变量的传感测量.仿真结果显示,双FBG应变传感的灵敏度为单FBG应变传感的2倍,且具有温度自补偿特性.实验结果验证了仿真分析的结论,测得双FBG应变传感的灵敏度为2.10 pm/με,且传感测量准确性不受环境温度变化影响.     

多间隙气体开关光纤诊断

介绍了一套用于多间隙气体开关光学诊断的光纤探测系统,该系统主要由光纤阵列探测器和沉入式日盲型光纤探测器构成。用该系统研究了多间隙气体开关的详细击穿过程,并分析触发电压、气压及紫外光预电离对开关性能的影响。光纤阵列探测器定时精度小于0.6 ns,脉冲响应3.2 ns;日盲型光纤探测器光谱响应为260~320 nm,通过实验可知,气体开关击穿次序为:3#-2#-1#-4#-5#-6#,统计时延和过压击穿时延占主要部分;提高开关的触发电压、降低开关的工作气压,主要影响开关击穿过程的前半部分,从而降低开关的击穿抖动;如果能够产生强度稳定的紫外光,可以改善开关的抖动性能。     

基于光纤反射腔的高灵敏电流传感器方案

提出了一种基于平面Y分支波导与法拉第旋镜的高灵敏度光纤电流传感器结构方案。利用两个法拉第旋镜与平面Y分支波导构成一个光纤反射腔,通过光在腔中的多次反射来增加待测电流导致的传感光纤中的法拉第相移,从而实现对微弱电流的测量。该结构方案中首次采用了平面Y分支光波导,从而可降低光路系统损耗,增加灵敏度,为微弱电流测量的工程化提供了一种可行的方法。     

折射率调制型光纤传感器在溶液浓度测量中的应用

本文详细报道了用折射率调制型光纤传感器测量溶液浓度的原理及实验装置。为了消除光源光强的不稳定性对测量精度提高的影响,我们提出用光学双稳态装置稳定光源的输出功率并将它用于实际测量中,实验结果表明:本方法用于测量溶液的浓度在灵敏度、精度和稳定度方面都有较大的提高,并且可用于在线监测。     

高速大容量光纤光栅解调仪的研究

采用半导体光放大器和可调谐法布里-珀罗滤波器,以环路结构组成高速扫描激光器,结合光耦合器、光环路器和光电二极管等,形成4通道大容量高速光纤光栅解调仪。系统采用2kHz的类三角波调制信号,驱动法布里-珀罗滤波器在50nm的光谱范围内进行快速扫描。通过引入光纤梳状滤波器和单峰滤波器组成的参考通路,消除法布里-珀罗滤波器的非线性效应和扫描波长漂移问题,使得解调仪具有很好的稳定性和线性度。高速光纤光栅解调仪的稳定性为2pm,分辨率为1pm,线性度为0.99957,测量精度为5pm,解调频率为2kHz。     

Two-Frequency Brillouin Fiber Laser Controlled by Temperature Difference in Fiber Ring Resonator

A Brillouin fiber laser (BFL) consisting of a fiber ring resonator with different fiber temperatures emits two-frequency light output. The two-frequency BFL yields an optical beat output which can be utilized as an optical frequency shifter. The output beat frequency is controllable by the temperature difference in the fiber ring resonator and changes with a step of a resonant frequency interval of BFL. The temperature dependence of the BFL output frequency was 2.4 MHz/°C. The stability of the output beat frequency to the temperature fluctuation was estimated as 1.04°C/2.5 MHz.     

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。     

基于数字全息图的光纤折射率测量研究

利用数字全息显微层析技术构建了光纤折射率测量的测试系统, 包括光路系统与软件系统. 以物光波的相位分布曲线为依据由CCD记录最优的数字全息图; 在优化频谱图的基础之上对全息图做频域滤波, 准确选取物光波所对应的频谱范围; 使用基于角谱理论的再现算法提取出物光波的相位分布信息, 并通过模拟全息图验证相位提取的准确性; 由单幅全息图提取的相位分布信息, 结合光纤的多层模型, 还原出光纤断层面沿直径方向的折射率分布. 以单模、多模光纤为实验样品进行了测量, 测量结果与S14折射率测量仪的测量结果吻合, 精度可达10^-4. 实验对比结果表明本文方法可简单、快速、准确地测量光纤内部的折射率. 本文还对特种光纤的折射率进行了测量研究.     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

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.     

Fabrication and Evaluation of Silica-based Optical Fiber Probes by Chemical Etching Method

A sensor probe with a microstructure, which is used for near-field scanning optical microscopes, plays an important role in the resolution and detection sensitivity of the microscope system. In this study, we devised a system for sharpening optical fibers, by which we could fabricate tapered tips of silica-based optical fibers reproducibly in a desired shape by controlling the solution temperature, etching time, and etching depth when applying chemical etching techniques using hydrofluoric acid. Furthermore, we evaluated the diameter of the core tip of an optical fiber by measuring the near-field pattern and comparing it with the Gaussian beam pattern of a non-edge-etched optical fiber. A strong correlation between the ratio of the 1/e²-value width of the beam profile of the near-field pattern to that of the Gaussian beam and the diameter of the extreme tip of the core became apparent. © 2005 The Optical Society of Japan