基于长周期光纤光栅的折射率与浓度传感方案的研究

采用简化的3层光纤模型，利用耦合模理论对长周期光纤光栅周围环境折射率、浓度敏感特性进行研究，并用计算机进行模拟及数值计算．得出长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境折射率及浓度的关系．实验证明测量结果与计算机模拟结果基本吻合。     

基于粗锥结构级联LPFG的双包层光纤多参量传感器

提出了一种基于模间干涉的测量温度、折射率和轴向应变的光纤传感器.在单模光纤与双包层光纤熔接点处形成粗锥,再与两个周期不同的长周期光纤光栅级联,由于模场失配,激发高阶模,形成三个谐振峰,且对不同参量有不同的灵敏度响应,通过解调三个谐振峰的波长漂移,利用系数灵敏度矩阵,可以测量温度、折射率和轴向应变.实验结果表明,温度在2...     

长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使优化的长周期光纤光栅具有实用性,谐振波长设计在1.55 μm的常规波长范围,经过多次摸拟实验,提出最佳优化参量为：Λ=380 μm,rcl=17 μm,对环境介质折射率从1.26~1.38不同值的实验测试,折射率传感灵敏度达到0.000 12,长周期光纤光栅的结构优化获得理想的预期效果.     

三包层长周期光纤光栅谐振波长与薄膜光学参数的关系

通过求解严格的耦合模理论建立的三包层结构长周期光纤光栅特征方程,研究了三包层长周期光纤光栅谐振波长与第二包层(薄膜)的折射率和厚度之间的关系。结果发现,随着膜厚及折射率的增大,谐振波长偏移的变化分成三个区域,这与Nicholas D R的实验结果相符。利用HE/EH模的判据数,对三个区域的模特性进行了分析,给出了区域划分的衡量标准。给出了在不同薄膜参数时的长周期光纤光栅透射谱,发现一阶低次HE模式的耦合强度要远大于一阶低次EH模式。     

光子晶体光纤长周期光栅栅区塌陷程度的理论研究

采用局域耦合模理论对一种光子晶体光纤长周期光栅的耦合机理和特性进行了研究.建立了栅区模型,用局域耦合模理论和传统的耦合模理论模拟出LP01和LP02、LP01和LP11耦合的透射谱,并进行比较.从理论上分析局域耦合模理论对光子晶体光纤长周期光栅的适用性,研究了栅格个数、栅格周期和光栅栅区对透射谱的影响.模拟结果表明:随着栅格周期的增大,谐振波长向短波方向移动;随着栅格个数的增加,透射峰深度增加;随着栅区塌陷深度的增加,谐振波长向长波方向移动.     

基于双峰谐振效应的镀金属长周期光纤光栅液体浓度传感器

利用长周期光纤光栅(LPFG)中的双峰谐振效应,结合表面等离子体共振(SPR)传感器的高灵敏度,提出了一种新型镀金属光纤光栅液体浓度传感器.采用双包层结构模型和耦合模理论,分析r镀金属长周期光纤光栅双峰效应的谐振特性,环境折射率的传感特性以及金属膜厚对双峰LPFG灵敏度的影响.实验上制作了具有双峰效应的镀银膜长周期光纤...     

金属镀层两层膜系长周期光纤光栅谐振特性研究

采用严格的耦合模理论,建立了镀会属膜和敏感膜的两层膜系长周期光纤光栅复特征方程,用微扰法对复数超越特征方程进行求解.结果和文献[5]给出的数据相符.理论模拟数据表明.金属的消光系数对功率密度和透射谱影响很大.低阶偶次模式在纤芯内的功率密度所占比重远大于奇次模式,其衰减峰幅度也比奇次模高,因此,金属镀层长周期光纤光栅实际应用时,需要选择偶次模作为研究对象.进一步理论分析了金属和敏感膜层参数对长周期光纤光栅谐振特性的影响,研究发现,金属膜厚、敏感膜厚和折射率对谐振波长有较大的影响,谐振波长随金属膜厚、敏感膜厚和折射率的增大向短波方向漂移.在某些区域谐振波长存在跳变现象,长周期光纤光栅实际应用时应避开此区域.     

CO2激光写入旋转折变型长周期光纤光栅的制作及理论分析

提出了一种光纤横截面折射率变化呈旋转非对称变化的长周期光纤光栅(R-LPFG) 结构,并利用多层圆波导理论和横截面折射率离散分析方法,结合模式耦合方程组和数值求解方法理论分析了这种光栅的模式耦合特征.理论分析表明R-LPFG纤芯基模主要与一阶非对称包层模发生耦合,当光栅旋转度逐渐变大时,R-LPFG基模会与一阶非对称包层模的奇模和偶模同时发生耦合,这就会使原来单一的谐振峰逐渐分裂成双峰,这是常规光栅类型所不具有的透射谱特征.由于R-LPFG的双峰来自同一对耦合模式,它们对温度的响应很相似,因此可利用双峰间距来进行无需温度补偿的扭曲、应变等物理量的测量.最后利用高频CO2激光脉冲写入法制作了这种光栅,并实验研究了这类光栅的传输谱演变特征,实验结果和理论分析一致.可以预见,这类光栅在光纤传感或通信中将具有较大的潜在应用价值.     

环境折射率变化对长周期光栅特性影响的研究

将长周期光纤光栅简化为三层阶跃折射率波导结构 ,采用弱导标量近似和泄漏模式的概念结合耦合模理论较全面地、定量地分析了环境折射率变化对长周期光纤光栅谐振峰位置和深度等特性的影响 ,获得了一些有益的结论 ,与实验符合得很好     

基于少模光纤长周期光栅叠栅的折射率传感特性

为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响,提出并制备了一种少模光纤长周期光栅传感器.该传感器利用CO_2激光器在少模光纤上先写入周期为654μm、长度为30mm的长周期光栅,然后用旋转平台将光纤旋转180°,再写入相同长度周期为819μm的长周期光栅制作而成,其传输光谱在1 487.2nm和1 533.0nm处出现两个由不同模式耦合形成的谐振峰,通过监测两个谐振峰差值的变化减少温度串扰,实现折射率的测量.实验结果表明:两个谐振峰差值在折射率1.333 3~1.376 6范围内的灵敏度为143nm/RIU,在温度20~70℃范围内的灵敏度为-0.002 5nm/℃,温度灵敏度远低于折射率灵敏度,具有对温度不敏感的特性.与传统光纤传感器相比,该传感器具有温度干扰小,折射率灵敏度高等优势,并且尺寸较小、结构紧凑,可在工业、水利、医学等领域广泛应用.     

折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器

提出了一种折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器。在制作传感器的过程中,设置熔接电流为100 mA,通过将少模光纤与单模光纤进行无错位熔接,以激发稳定的传输模式,形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。由于外界环境的改变会引起少模光纤中不同模式之间相位差的改变,从而导致干涉条纹的漂移,因此通过检测干涉条纹的漂移量就可以实现待测参数的检测。少模光纤可以传输LP₀₁,LP₁₁,LP₂₁,LP₀₂共四种模式的光。实验中对长度为81.5 mm的传感器光谱进行分析可知,发生干涉的两个模式主要是LP₀₁模和LP₁₁模。利用该长度的级联型单模-少模-单模光纤传感器进行折射率和温度传感实验,结果表明,随着传感器温度不断的增加,其传输光谱出现了明显的蓝移现象,在27.6~93.8 ℃的温度变化范围内,灵敏度高达-85.9 pm·℃-1,且具有较好的线性度;在甘油折射率为1.347 1~1.443 9变化范围内,其传输光谱没有出现明显的漂移现象,灵敏度仅为3.697 34 nm·RIU-1,具有折射率不敏感特性。因此,相对于传统的包层模干涉型与多模干涉型光纤传感器,所提出的基于FMF的传感器更易于实现对传输模式的控制与分析,且具有结构简单、易于制备、灵敏度高等优点,能够避免温度与折射率同测的交叉敏感问题,可用于电力系统、生物医学、航空航天等领域的温度检测。     

Structure design of refractive index sensor based on LPFG with double-layer coatings

Based on the coupled-mode theory, the mode transition and transmittance of LP modes in an LPFG with double-layer coatings are studied theoretically. As a refractive index sensor, this LPFG structure is designed for high sensitivity by selecting a suitable thickness and refractive index of the double-layer coatings. Date simulation indicates that the effective index of the LP cladding mode increases in steps with the first coating thickness, thus LP mode is guided to the overlay and the mode transition takes place, where the LP modes can be easily affected by the ambient. Thereby, the coated LPFG sensor should be designed to operate at the transition region. In addition, the effective refractive index of LP cladding modes also increases in steps with the refractive index of the second overlay. For the higher order LP modes, the transition regions are broaden and the dynamic responses are greater than the lower LP modes, which means the higher order LP modes can be used for lower index overlay sensing. Further, the transmittance spectrum, sensitivity and measurable dynamic range of this LPFG are analyzed. The sensitivity of the LPFG sensor is available to $10^{3}$ with suitable overlay thickness and measurable dynamic range of the sensitive film refractive index is available to $10^{-2}$ . So the presented LPFG sensor enhances the design flexibility and enlarges the scope of application, which will likely be developed for high sensitivity LPFG sensors.     

复折射率光纤传输特性分析的Davidenko方法

增益或损耗对光纤的传输特性影响很大。使用Davidenko方法对复折射率光纤的传输特性进行了分析。研究了复折射率纤芯或复折射率包层阶跃光纤,通过比较发现,使用Davidenko方法得到的解与精确解符合得很好。对于芯区为复折射介质的光纤,HE11模与LP01模增益值偏差约为0.6%;对于包层区为复折射率介质的光纤,HE11模与LP01模增益值偏差约为2%。实际研究工作中,为了得到更精确的结果,应该求解全矢量的复本征方程,尤其是包层具有增益或损耗的光纤。     

Precise measurement of group refractive indices and temperature dependence of refractive index for Nd-doped yttrium orthovanadate by intracavity spontaneous mode locking

We report on a novel method based on intracavity spontaneous mode locking to precisely measure the group refractive indices and temperature dependence of refractive index of Nd:YVO(4) crystal at the wavelength of 1064 nm. All the experimental results are found to agree very well with the most recent measured values. We also confirm that the developed method is applicable to measuring the group refractive indices and the temperature dependence of the refractive indices of other vanadate crystals, as well as nonlinear crystals.     

全固双芯光子晶体光纤温度传感特性的研究

主要分析带隙型全固双芯光子晶体光纤填充高温度系数折射率敏感介质后的温度特性.应用平面波展开法和全矢量有限元法研究温度对其模场分布、有效折射率、耦合长度及温度传感的影响.理论计算结果表明,耦合长度随温度升高出现单极值或多极值点,奇模式的有效折射率随着温度的变化或波长的变化会出现跳变情况.     

重构多信道光纤光栅的改进离散层析算法

对重构多信道光纤光栅的离散层析算法进行了优化.在各信道加入相移的基础上,运用非线性最小二乘法对耦合系数进行高斯曲线拟合,降低了折射率调制深度的最大值且可以将剧烈变化的折射率调制深度平滑化.仿真表明,较之改进前的折射率调制最大值（0.001 3）,利用新算法在折射率调制最大值为0.000 5时成功设计了一个8信道光纤光栅,极大地降低了对光纤光敏性的要求.同时,折射率调制曲线的平滑化降低了光栅的实际刻写难度.     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

基于插值的全矢量有限差分法求解阶跃光波导本征模式

给出了一种适合求解阶跃折射率分布光波导本征模式的全矢量有限差分法.该方法充分考虑了电场分量在折射率分布跃变处的不连续性, 在拉格朗日插值的基础上得到了一种精度较高的差分格式.为了验证其有效性,对一种典型结构、折射率阶跃分布的波导作了计算,并与其它方法的结果作了比较.最后对不理想刻蚀情况做了模拟计算.     

大气温度分布特性及对折射率结构常数的影响

影响大气湍流运动强弱和时空结构的因子比较复杂,大气中平均流场和大气温度的分布都是不均匀的,特别是沿垂直方向的大气温度分布,决定着垂直方向的热力不稳定性和湍流的强弱。观测事实表明,随着季节和天气条件的不同,大气温度垂直分布有很大的变化。通过对我国安徽合肥地区整层(0～20km)大气温度的观测资料的分析,得到了大气温度的垂直分布廓线和统计特性模式误差廓线;大气折射率结构常数Cn^2是表示大气光学湍流强度的一个重要参量,但大气折射率的测量较为困难,因此通常先测量温度起伏量,再用平均的温度和气压来计算得到Cn^2。通过对温度和气压模式误差的分析,可以计算得到Cn^2结果的误差,重点分析大气温度分布特性及由此带来的模式误差,并讨论其对计算Cn^2的影响。     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.