微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

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.     

飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅

在折射率与应变测试时,为了降低温度影响所引起的串扰,对细芯长周期光纤光栅的温度、折射率和应变响应特性进行了研究。通过飞秒激光直写方法在纤芯直径为6μm的单模光纤上成功制备了周期为50μm的长周期光纤光栅。结果表明:在细芯光纤中以低激光能量加工的长周期光纤光栅具有较低的温度灵敏度,同时保持较大的消光比和较好的光谱质量。这种细芯长周期光纤光栅损耗峰在20～700°C温度范围内仅漂移1.7 nm。该光栅对折射率变化也具有较好的响应,环境折射率在1.406 5～1.426 5时,灵敏度最高可达882.51 nm/RIU,应变灵敏度为-2.2 pm/με。这种细芯长周期光纤光栅可以较好地降低折射率与应变测试中由于温度影响带来的串扰。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器（英文）

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

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。     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

一种测量温度和流速的光纤光栅传感器

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅(FBG)传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为0.0392nm/℃,是封装前的3.5倍，且传感器温度响应保持了很好的线性和重复性。从水温14.5℃时的流速实验中得到水流速在0～20m/s范围变化时，FBG峰值波长漂移了0.13nm,验证了此光纤光栅传感器测量流速的可行性。试验结果表明，该传感器既可以作为温度传感器，又可以作为流量传感器，并且制作简单，成本较低。     

基于光栅应变传感器的纳米测量机探针设计

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度,且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求,提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针,即探针里有一个熔融的球形顶端,FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理,并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析,结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明,在轴向载荷条件下,用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试,得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率,其性能满足实际测量需要。     

高精度机械感生长周期光纤光栅横向压力传感系统

设计并实验研究了一种基于机械微应变引入长周期光纤光栅(MLPFG)的横向压力传感系统。利用机械线加工技术制作周期为600μm,长度为60 mm的不锈钢压力槽板,测定了槽板对待写制光纤施加的横向压力与MLPFG谐振峰峰值之间的关系,并借助布拉格光纤光栅(FBG)搭建了高精度横向压力解调系统。实验表明,在0～60 N的范围内,压力与MLPFG透射谱深度有很好的线性关系,线性度达0.9950,灵敏度约为0.35 dB/N。保持45 N的压力20 h,MLPFG谐振峰峰值最大波动小于0.06 dB,具备良好的稳定性。采用中心波长为1542.890 nm的FBG实现了系统解调,系统灵敏度为0.12μW/N,进一步提高了检测系统的实用性。     

Tunable phase-shifted fiber Bragg grating based on a microchannel fabricated by a femtosecond laser

A phase-shifted fiber Bragg grating(PS-FBG) based on a microchannel was proposed and realized by combining the pointby-point scanning method with chemical etching. The PS-FBG is composed of a fiber Bragg grating(FBG) and a microchannel through the fiber core. The microchannel can introduce phase shift into the FBG. What is more important is that it exposes the fiber core to the external environment. The phase shift peak is sensitive to the liquid refractive index, and it shows a linear refractive index response wavelength and intensity sensitivity of 2.526 nm/RIU and-111 d B/RIU, respectively.Therefore, such gratings can be used as sensors or tunable filters.     

光纤Bragg光栅应变、温度交叉敏感问题的研究

解决应变和温度的交叉敏感,实现应变和温度同时测量一直是光纤光栅传感器研究的关键问题。从应变和温度交叉敏感的物理机制出发,较为全面地介绍了几种主要解决方案：双波长矩阵法、2个包层直径不同的FBG法、啁啾光栅法等。并且基于双波长矩阵法,提出了一种基于管式弹性应变敏感元件的光纤光栅传感器结构,很好地实现了温度150℃,压力20MPa的同时区分测量,其温度灵敏度为0.02nm/℃。解决了温度和应变同时区分测量这一技术难题。     

高速光通信系统中光纤光栅色散补偿研究

通过对光栅制作过程的优化设计，解决了光纤光栅温度稳定性、纹波系数、带宽、偏振模色 散补偿等关键技术，所制作光纤光栅已经达到温度系数小于00005 nm/℃，带宽大于14 nm，纹波系数小于50 ps，色散量超过 -1000 ps/nm的先进水平. 采用琼斯矩阵本征值法较 精确地测量了光栅的偏振模色散，并对其进行了补偿，光纤光栅色散补偿器的偏振模色散由 补偿前的91406 ps改善为补偿后的01521 ps. 在此基础上，成功地建立了一个稳定可靠 、速率为40 Gb/s，传输链路为122 km G 关键词： 高速光通信系统 普通单模光纤 光纤光栅 色散补偿     

基于超长周期光纤光栅的高灵敏度扭曲传感器

利用高频CO₂激光脉冲写入的周期达数毫米的超长周期光纤光栅(ULPFG)，实验研究了这种新型ULPFG的扭曲特性，发现它的某些高阶谐振波长漂移与扭曲率之间具有良好的线性关系和方向相关性，其灵敏度可达0.2244nm/(rad/m)，是高频CO₂激光脉冲写入法写入的普通LPFG扭曲灵敏度的4倍.初步的理论分析表明，新型ULPFG横截面折变的非对称性以及导模与高阶包层模之间发生的耦合使得扭曲具有方向相关性和很高的灵敏度.基于这种ULPFG独特的扭曲特性，设计了一种可 关键词： 光纤传感 光纤光栅 2激光')" href="#">CO₂激光 扭曲测量 双折射     

Temperature self-compensation fiber-optic pressure sensor based on fiber Bragg grating and Fabry–Perot interference multiplexing

A high performance multiplexed fiber-optic sensor consisted of diaphragm-based extrinsic Fabry–Perot interferometer (DEFPI) and fiber Bragg grating (FBG) is proposed. The novel structure DEFPI fabricated with laser heating fusion technique possesses high sensitivity with 5.35 nm/kPa (36.89 nm/psi) and exhibits ultra-low temperature dependence with 0.015 nm/°C. But the ultra-low temperature dependence still results in small pressure measurement error of the DEFPI (0.0028 kPa/°C). The designed stainless epoxy-free packaging structure guarantees the FBG to be only sensitive to temperature. The temperature information is created to calibrate the DEFPI's pressure measurement error induced by the temperature dependence, realizing effectively temperature self-compensation of the multiplexed sensor. The sensitivity of the FBG is 10.5 pm/°C. In addition, the multiplexed sensor is also very easy to realize the pressure and the temperature high-precise high-sensitive simultaneous measurement at single point in many harsh environmental areas.     

绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计及性能

为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.     

Numerical analysis of plasmon polarition refractive index fiber sensors with hollow core and a long period grating

The main principle of this design is based on the efficient energy transfer between the waveguide mode (WM) and the co-directional SPP provided by a properly designed fiber long period grating (LPG). This LPG is imprinted into a waveguide fiber layer of a specially designed hollow core optical fiber. The simulations are based on the finite element method (FEM) algorithm in electromagnetics and coupled mode theory for gratings. Compared to the previous proposed structure using a fiber Bragg grating (FBG), this novel kind of sensor can greatly enhance the refractive index sensitivity, e.g., from 5.93 nm/RIU (with FBG) to 817 nm/RIU (with LPG) at the sensing refractive index of 1.40. The other advantage is that the working conditions can be performed for the well-developed telecom wavelength windows 1500-1600 nm.