Bragg光纤光栅与光纤传感技术

光纤光栅及其应用技术的出现和发展将成为光纤通信、光纤传感以及在各相关领域中具有变革意义的新一代高新技术。本文对光纤光栅的致光机理、各种典型成栅技术作了评述。阐述了光纤光栅传光原理，并对３Ｓ系统的概念、体系结构和技术上的问题以及研究现状和发展作了综述。     

聚合物封装的高灵敏度光纤Bragg光栅温度传感器

将光纤光栅封装于一种有机聚合物基底中,制成温敏元件,测量了20～100℃不同温度下光纤光栅的反射谱.由于基底材料的带动作用,封装后的光纤光栅温度灵敏度为83.07×10-6/℃,是相应裸光纤光栅的12.3倍.     

中红外空心Bragg光纤的制备及在气体传感中的应用

空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.5-12 μ m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 μ m和 3.3 μ m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 μ m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.     

Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析光纤光栅的耦合模时,发现了耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了将傅里叶变换和模式耦合融合在一起的Bragg光纤光栅反射谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换得到Bragg光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式耦合分析计算,从而得到Bragg光纤光栅的光谱特性.根据该理论,仿真分析了Bragg光纤光栅的谱特性,与耦合模理论、直接傅里叶变换法进行了对比分析.结果表明,傅里叶模式耦合理论与传统的耦合模理论及实际Bragg光纤光栅的光谱特性一致,具有简单、清晰、直接、精确和分析效率高的特点,可分析任意轴向折射率微扰分布的Bragg光纤光栅结构.     

分布式光纤Bragg光栅波长校准方法

提出了一种利用标准参考光谱进行波长校准的方法。实验中利用由宽带光源和光纤可调谐滤波器组成的可调谐光源分别扫描了参考光谱和传感光栅的光谱。在参考通道,ITU标准参考模块的输出是具有固定波长的梳状光谱。利用高斯拟合算法计算出由标准参考透射谱峰值输出的对应的驱动电压,通过样条插值函数获得了滤波器输出波长与驱动电压的关系。计算光栅反射谱峰值对应的驱动电压,利用上面获得的滤波器输出波长与驱动电压的关系式可以计算出传感光栅的Bragg波长。实验结果表明,在较大的波长范围内实现了对多个传感光栅的波长校准,减小了由滤波器非线性输出造成的测量误差,具有较高的重复性。     

基于光谱吸收型光纤传感器的煤矿瓦斯测量技术

甲烷是瓦斯的主要成分,是易燃易爆的气体。介绍了瓦斯的光谱特性以及光谱吸收法测量甲烷气体浓度的原理,给出了光谱吸收型光纤瓦斯气体传感器的主要进展和技术路径,包括差分吸收测量法和谐波吸收测量法。通过分析可看出,光谱吸收型光纤瓦斯传感器以其优良的特性得到了广泛关注,其中差分吸收法的抗干扰能力强,系统可靠性高,具有较强的工程应用价值。     

光子晶体光纤气体传感器

光纤传感器因其具有体积小、 抗电磁干扰、 灵敏度高、 可以形成分布式测量等优势, 成为传感领域研究的热 点之一. 介绍了光子晶体光纤气体传感器的基本原理、 分类及最新研究进展, 并指出了今后研究需要解决的问题     

双孔平行梁光纤Bragg光栅称重传感器

采用双孔平行梁型弹性元件作为光纤Bragg光栅称重传感器的换能结构,其中,四片光栅对称地贴粘在梁的灵敏区域。值得注意的是利用弹性元件自身结构特点对称重传感器进行了温度和偏载补偿,从而得到了FBG中心波长移位与载荷的关系。加载卸载实验表明,该双孔平行梁FBG称重传感器的载荷响应灵敏度为16 pm/kg,测量精度为0.7%。     

D形光纤Bragg光栅弯曲灵敏度的理论和实验研究

用材料力学理论分析了D形光纤Bragg光栅（D-shaped fiber Bragg grating,D-FBG）以及常规光纤Bragg光栅由弯曲引起的轴向应变,得到了光栅Bragg波长漂移的弯曲敏感特性.实验结果和理论计算结果基本相符.与常规FBG相比,该D-FBG的弯曲灵敏度要高近80倍.因此D-FBG可以直接应用于弯曲形变的测量,以及间接应用于压力、加速度等物理量的测量.理论分析和实验结果对采用该类型光纤光栅的器件和传感系统的设计具有参考意义.     

飞秒激光刻写高阶倾斜光纤Bragg光栅

报道了一种利用飞秒激光微纳加工技术在非敏化单模光纤中制备的高阶倾斜光纤Bragg光栅(HOTFBG)。倾斜折射率调制是将聚焦的飞秒激光穿过高阶相位掩模板,并扫描曝光倾斜放置的光纤实现的,其覆盖了全部纤芯和部分包层。该单一HO-TFBG在1200~1700nm波长范围内可形成三组与高阶Bragg谐振相对应的"包层模式谐振系列"。因此,其携带的信息量远高于紫外倾斜光纤Bragg光栅(UV-TFBG),其功能性更佳,尤其适用于多传感参数的监控。研究了HO-TFBG的折射率、轴向应变和温度等传感特性。此外,该器件兼具飞秒激光诱导光栅结构的高温稳定性,其在苛刻环境中的化学和物理传感具有潜力。     

Fiber torsion sensor demodulated by a high-birefringence fiber Bragg grating

A new high-birefringence (Hi-Bi) fiber torsion sensor demodulated by a Hi-Bi fiber Bragg grating (FBG) is proposed in this study. The twisted Hi-Bi fiber sensor characteristics are analyzed using the Jones matrix. The intensity ratio from two reflected Bragg wavelengths is associated with the twist angle of the measured Hi-Bi fiber. It is found that the twist angle resolution is estimated at around 0.3° under ±0.1 dB readout from an optical spectrum analyzer if the polarization state of the light source is stable. The advantages of this new torsion sensor are: (1) insensitivity to intensity variations from the light source, (2) insensitivity to the torsion gauge length, and (3) absolute measurement in the twist angle. However, the polarization state of light in the proposed method needs to be controlled, and any birefringence change in the twisted Hi-Bi fiber needs to be prevented.     

Characterization of Encapsulating Materials for Fiber Bragg Grating-Based Temperature Sensors

Abstract

An experimental study has been carried out for the characterization of encapsulating materials for fiber Bragg grating-based temperature sensors to prevent the formation of micro-cracks and devitrification on the fiber surface at elevated temperatures by making use of a rigid probe. The developed sensor probe was configured by encapsulating a type 1 fiber Bragg grating with an aluminum nitride tube and is used to measure temperatures from 20°C to 500°C. The adapted encapsulation technique validated the sensor to achieve linearity of 99.979%, sensitivity of 14.03 ± 0.02 pm/°C, and good repeatability; its practical use in harsh environments is predicted.     

光纤光栅复用温度传感研究

提出了一种基于匹配光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址的新光纤光栅复用传感解方案,理论上分析了系统的响应特性,实验上完成了三光栅复用温度传感,实验结果与理论值相一致。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

基于可调谐滤波器的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术的研究

研究了基于可调谐滤波器(TOF)的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术。实验表明,解调仪特别适合在传感FBG(fiber Bragg grating)存在大幅度静态波长变化时对微幅度动态波长变化进行检测,动态波长检测分辨率为0.007pm/Hz。上电时,TOF对中心波长为1292.50~1308.50nm范围内的光纤光栅具有自动跟踪的能力,克服了TOF不稳定对系统的影响。     

Fabrication of Dual-Wavelength Fiber Bragg Grating with a Longitudinal Stretch

A method of fabricating dual-wavelength fiber Bragg grating with a uniform phase mask is demonstrated. Theoretical analysis and numerical simulation using Matrix method are given. The moving exposing technique is adopted. Good control over the grating’s reflectivity and the separation of the two Bragg wavelengths is enabled by adjusting the stretch, the length of the grating, and the exposure. A grating with two equal transmission peaks of 19.5 dB is obtained by using this method, and the separation of the two Bragg wavelengths is 0.78 nm. Translated from Chinese Journal of Quantum Electronics, 2005, 22(1) (in Chinese)     

基于闪耀光纤光栅的折射率传感技术实验研究

提出了一种基于闪耀光纤光栅传感技术的折射率测量新方法,即采用SLED作为光源,通过检测闪耀光纤光栅透射谱强度实现折射率的测量.实验证明,当环境折射率在1.372 3~1.453 2之间变化时,闪耀光纤光栅透射功率从0.611~0.472 mW线性下降,其灵敏度达到1.718 μW/（0.001折射率变化）.该检测方法具有结构简单、无需波长检测、灵敏度高、易于工程化等优点.     

Theoretical and Experimental Study of a Code-Division Multiplexing Fiber Bragg Grating Sensor System

Abstract

A novel scheme for a code-division multiplexing based fiber Bragg grating sensor system is theoretically analyzed and experimentally demonstrated. The results show that the proposed scheme enables an improved signal-to-noise ratio performance compared with the time-division multiplexing method and that spontaneous–spontaneous beating noise should be included in the analysis to avoid overestimation. The simple and effective setup provides a competitive approach for using fiber Bragg grating sensors in practical application systems.     

光纤布拉格光栅自致啁啾效应的研究

根据耦合模理论,采用传输矩阵法分析了相位掩模法制作的光纤布拉格光栅的反射谱特性.设计了一种新的写制光纤光栅的光路,利用高斯激光光束写制出具有短波自致啁啾效应的切趾光栅(栅长0.015 m).对具有短波自致啁啾效应的光纤光栅进行了物理切割(剩余光栅的长度分别取0.007 m和0.0055 m),得到了一种新型的具有长波自致啁啾效应的光纤光栅.原本的自致啁啾光栅反射谱中旁瓣分布在短波长方向,而得到的新型自致啁啾光栅的反射谱中长波长方向的旁瓣更为明显.基于对光纤布拉格光栅自致啁啾效应的分析,提出一种新型类高斯切趾函数,以此函数对自致啁啾效应进行数值模拟,得到了与实验结果相一致的光谱图.     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.