基于温度激励的光纤陀螺光纤环瞬态特性检测

光纤陀螺基于萨尼亚克效应测量垂直于光纤环平面的敏感轴方向上的旋转分量。光纤环是光纤陀螺的核心部件,光纤环的缠绕质量直接影响着光纤陀螺的整体性能,对光纤环的缠绕质量全面检测十分必要。针对目前光纤环检测手段的局限性,提出了一种基于温度激励的光纤陀螺光纤环瞬态特性检测方法,全面表征了光纤环的缠绕质量。建立了光纤环柱面坐标三维计算模型,采用有限元方法定量分析光纤环不对称度和局部温度激励位置精度对光纤环瞬态响应的影响,同时开展了光纤环温度激励相应实验,实验结果与光纤环三维物理模型数值计算结果相一致,在理论和实验上验证了光纤环瞬态特性检测方法的可行性。     

光纤环中的Shupe效应及其补偿方法研究

本文研究了光纤环的时变温度场,在此基础上对Shupe效应进行了定量分析,并且提出了通过模型修正以减小Shupe效应的补偿方法.     

多维温度场对光纤环Shupe效应误差影响的理论分析

光纤环作为干涉型光纤陀螺的核心敏感元件,易受时变温度环境引起的Shupe非互易性相移的影响,进而严重降低对于惯性空间转动的测量精度.本文推导了目前广泛应用的四极绕法光纤环的温度效应误差模型,分析了沿光纤环径向、轴向与圆周方向多维温度场对于零偏漂移的影响机理并进行了仿真验证.研究结果表明,径向与轴向的瞬态温场引起的零偏误差正比于光纤环各层外内壁温变速率之差的加权和,并且随着接近光纤进出的顶层,其所占份额将线性增大.圆周方向的零偏误差则取决于光纤进出端与长度中点连线两侧温变速率空间分布的对称性,并且当不均匀的温度场分布远离进出端时,其影响将减小.以上发现可为复杂温度环境下工作的陀螺仪表与惯性导航系统的热结构设计提供理论指导与工程参考.     

消偏光纤陀螺的理论和实验研究

本文首次在理论上导出消偏型光纤陀螺的零漂和标度因子表达式,并得出以下两个结论:1)在使用约 40 dB偏振器时,导致陀螺漂移的主要因素是强度误差而并不是振幅误差;2)由光学标度因子与各种器件参量关系表明开环解调时陀螺的线性误差较大.试验样机证明了以上结果,并找出减小漂移的方法.     

光纤陀螺热致漂移分析及算法补偿技术研究

通过对光纤陀螺温度漂移的剖析推导,分析了温度扰动引起陀螺漂移误差的深层次原因,并结合过程相关性理论,对各个温度项影响因子与光纤陀螺实际输出相关性进行验证分析,提出一种同时考虑温度、温变速率、温度梯度以及三者乘积耦合项的算法补偿模型。对该模型的补偿效果进行离线补偿验证,结果表明,采用该算法补偿模型能明显抑制光纤陀螺的变温零漂。为了进一步验证该模型的有效性,把离线获得的补偿参数载入陀螺存储器,经过多样本实验测试,补偿后可有效提高光纤陀螺的全变温零偏稳定性,验证了该补偿算法在工程上的可实施性和推广价值。     

光源偏振度对光纤陀螺零漂影响的研究

以Y波导集成光学调制器保偏型干涉式光纤陀螺作为研究对象,根据各光学元器件的参数建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,在此基础上进行了光路偏振误差的理论分析。通过推导,得到了保偏型干涉式光纤陀螺的偏振误差表达式,并首次分析了光源偏振度对光纤陀螺零漂的影响。借助光源尾纤输出的光谱,对由0%~3%之间呈线性变化的偏振度以及对经实验测试的光源偏振度的实际值引起的偏振模式耦合误差的零漂值进行了仿真计算。结果表明,当光路中其它参数不变时,由光源偏振度变化引起的零漂值为0.001°/h,满足了高精度光纤陀螺的精度要求。     

双光程光纤陀螺的温度致非互易性研究(英文)

为了提高陀螺的精度,提出了一种新型双光程光纤陀螺.在光纤环两端各连接一个偏振分束器,使得偏振光依次沿保偏光纤的快轴、慢轴传输两圈,其有效光程加倍,进而实现陀螺的Sagnac效应加倍.针对该光纤陀螺在温度场扰动下的非互易问题,分析了其特殊结构带来的温度致非互易误差,利用有限元分析法建立了相应的Shupe误差模型,并对光纤环90°熔点位置、光纤环折射率温度系数改变对Shupe误差影响进行了相应的理论计算与仿真分析,结果表明90°熔点置于光纤环中点或者选用折射率温度系数满足特定条件的光纤环可减小其Shupe误差.     

熊猫光纤光栅温度传感特性的理论和实验研究

采用有限元法建立了熊猫光纤光栅的温度传感模型,研究了熊猫光纤温度变化时的内部应力分布,分析了几何结构变化对熊猫光纤光栅的温度传感特性的影响规律.理论分析和实验结果均表明:熊猫光纤光栅两偏振反射峰和双峰间距的温度灵敏度系数,都与猫眼半径和猫眼距离比值的平方(r/d)2成线性比例关系,其快轴方向的温度响应能力大于慢轴方向.     

高精度光纤陀螺零位误差的磁温特性研究

介绍了高精度光纤陀螺零位误差的形成原理,并就温度和磁场对高精度光纤陀螺零位误差的影响进行了详细的理论分析。仿真结果表明:由于温度引起的零偏峰值漂移为0.06°/h。最后,对交变温度场和径向静磁场交联作用下的情况建立了理论模型并进行了实验研究,实验结果表明:在径向磁场和不同温度作用下,光纤陀螺由于交联耦合效应产生的径向磁场灵敏度变化,即交联耦合度<1%,这和理论模型具有较高的一致性。     

光纤陀螺的噪声及其实验分析

通过对FOG-110-I全光纤陀螺仪样机的研制,分析了光纤陀螺的噪声源,并对信号光背向反馈进入激光器引起的强度噪声和由光纤PZT位相调制器引起的幅度调制对光纤陀螺系统的影响作了重点分析。最后,给出了FOG-110-I全光纤陀螺样机的测试结果和实验分析。     

Effect of Launching Condition on Modal Power Characteristics of Multi-Mode Step-Index Optical Fiber: A Theoretical and Experimental Investigation

Abstract

This article investigates optical power transmission characteristics with varying launching conditions concentrating on weakly guiding, step-index highly multi-moded optical fibers. A single analytical expression for the fractional power transmitted per mode in a highly multi-moded fiber is obtained. This expression is used to numerically obtain the fractional power per mode, power per modal order, and finally, the total power carried by the fiber. Experiments are carried out to investigate the effect of launching conditions on the total power carried by the fiber and to establish a possible correlation with the theoretical results. Reasons for the observed experimental discrepancies are also discussed.

     

方形渐变空气孔微结构光纤的色散特性分析

提出了一种新型的方形分布渐变空气孔微结构光纤。借助时域有限差分法计算了孔间距取 2.0μm和2.5μm,最小孔直径分别取0.4μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm和1.0μm,从第一层到第五层直径线性递增量分别为0.1μm/层和0.2μm/层的五层渐变空气孔微结构光纤的基模色散曲线图,结果表明渐变空气孔微结构光纤在控制色散的能力上明显优于空气孔不变的微结构光纤,这种光纤的色散曲线在1400~2000 nm波长范围内保持平坦且具有更低的色散量;当渐变空气孔微结构光纤第三层孔的直径取与孔直径不变微结构光纤的孔直径相同,且第一层到第五层孔直径按每层0.2μm的斜率增长时,其色散曲线最低最平坦,色散值保持在30 ps/(km·nm)左右。     

一种新型微结构光纤的设计与数值研究

提出了一种新型双包层结构的微结构光纤(MOF),利用有限元法对其模场面积、损耗及色散系数随波长的变化规律进行了数值模拟与分析,并在相同条件下与传统的双包层MOF作了比较。结果表明,该种光纤不但结构新颖,而且较传统光纤有更优异的色散性能。通过合理优化,设计了几种在500nm波长范围内保持低平色散和较大模场面积的新型双包层MOF。这种光纤结构的提出对以后的理论研究和工艺制备具有一定的参考意义。     

用时阈有限差分方法研究光纤微探针近场分布特性

采用三维时间域有限差分（FDTD）方法研究了扫描近场光学显微镜中光纤微探针的近场分布特性,研究结果表明,锥形裸光纤探针的近场光中,以从探针锥变区侧面泄露的光即传播场为主,当在探针的侧面镀上一层金属膜对于从侧面泄露的光具有较好屏蔽效果,因而比裸光纤探针具有更好的空间束缚能力,无论是裸光纤探针还是金属膜探针,入射偏振光从针尖出射手发生了退极化现象,近场分布中产生与入射光偏振方向垂直的其它两个电场分量,而且金属膜探针的退极化分量对近场分布的影响比裸探针显著得多,如果在近场成像中接收退极化分量而不是总场则可以提高近场成像的对比度,还详细地分析了微探针的近场分布特征与退极化之间的关系。     

金属包层长周期光纤光栅的理论和实验研究

金属包层长周期光纤光栅可用于对谐振波长的调谐。通过实验和理论研究了长周期光纤光栅在沉积金属包层前后谐振波长的变化规律。分析了金属包层光纤的特点,给出了金属包层光纤包层模的本征方程,并给出了这一复本征方程的求解方法。长周期光纤光栅在沉积金属包层后,对低阶包层模,谐振波长会向长波方向偏移,模次增加,偏移会增大;对高阶包层模,谐振波长向短波方向偏移。不同金属包层,谐振波长的偏移量也有一定差别。所给出的理论分析方法,可用于预测谐振波长的偏移方向和大小,对设计和制做这类长周期光纤光栅提供理论参考。     

塑料光纤纤端光场测试结果及分析

对纤端光场进行了理论分析,分别利用塑料光纤和多模光纤作为接收光纤对塑料光纤的出射纤端光场进行了测量,并与理论分析结果进行了比较,给出了合理的调和参数.传输距离较长的塑料光纤由于高阶模的泄漏,纤端光场分布非常接近高斯分布.实验结果表明了理论分析结果和调和参数选择的合理性.     

金属覆层光纤探针近场特性研究

采用有限积分法对用于近场光学显微镜的旋转对称光纤探针进行了数值模拟计算,研究了光纤探针开口附近亚波长范围的电磁场及其能量密度的分布.计算结果表明,在探针外,光场为沿探针轴线方向的近逝波,其空间光场的分布与激励光场及其极化方向有关,在激励光场的极化方向出现了由感应电荷引起的边缘增强效应.同时研究了近场光纤探针的空间分辨率和样品处的电磁场能量,结果表明光纤探针孔的尺寸及其与样品的作用距离是影响探针的分辨率和样品内电磁场能量的重要因素.     

两种单光纤光镊捕获效果的数值仿真与实验研究

采用一种基于时域有限差分(FDTD)的数值算法,仿真计算了抛物线形和大锥角形两种新型单光纤光镊的出射光场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求得介质球在两种光场中受到的光阱力,得到大锥角型光纤端产生的光阱力较大的结论;讨论了不同介质球大小、折射率,光纤探针形状对光阱力的影响.在实验中这两种光纤探针都实现了对水中酵母菌细胞的捕获,且采用流体力学法对抛物线形和大锥角形二种新型单光纤光镊产生的光阱力进行了标定.结果表明:基于FDTD数值仿真方法计算受力与实验结果一致,并且这种计算光纤光镊产生的光阱力的方法简单.适用;且抛物线形和大锥角形光纤探头都具备构成单光纤光镊的条件.     

扩芯光纤原理及其在光器件耦合中的应用

介绍了两种可以增大单模光纤模场直径并出射准直平行光束的扩芯光纤(ECF)的原理和制作方法。分析了单模光纤熔接渐变折射率多模光纤法通过改变渐变折射率多模光纤的长度和自聚焦参量实现模场扩大缩小的原理,制作的扩芯光纤模场直径扩大到16．6μm,出射光束平行效果较好,轴向耦合容限比单模光纤扩大了近6倍。加热扩芯光纤则是通过控制加热温度和加热时间直接使单模光纤掺杂物质发生扩散,从而实现扩束和光束准直,模场直径达到15．4μm,横向、轴向耦合容限都比单模光纤有很大提高。因此扩芯光纤可以简化单模光纤的耦合对准过程,用来制作新型的单模光纤或掺铒光纤连接器,也可以用于其它光器件中与单模光纤的准直。