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     

用光纤光栅传感器测量外压力的动态调制方法

为了提高光纤布拉格光栅压力传感器的精度和降低系统成本，提出一种使用光纤双布拉格光栅测定压力的测量方法，即在外界压力作用下，传感光纤布拉格光栅反射波长的飘移被转变成在交变力策动下发生弯曲的等强度悬臂梁调制的扫描光栅的反射光脉冲间隔的变化。实验结果表明：光纤布拉格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm；压力传感器的量程为0～6MPa时，压力的测量不确定度为0.005MPa。     

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。     

长周期光纤光栅的折射率敏感特性

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性,给出了LPFG 的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式.对 LPFG 的折射率传感特性进行了数值模拟.结果表明:在光栅周期不变的情况下,当包层折射率小于且接近外界环境折射率时,波长的漂移量增大,且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小,波长漂移量越大,即 LPFG 对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高;当外界环境折射率大于包层折射率时,光栅的谐振波长将近似不变.     

长、短周期光纤光栅退火实验研究

光纤光栅技术是光纤通信领域继光纤放大器之后的一个里程碑 ,由此产生的全光纤光子线路及其集成将对光纤通信的发展产生巨大的推动作用。获得性能稳定的光纤光栅具有重要的意义。介绍了长、短周期光纤光栅的光学特性及退火特性     

基于线型腔掺铒光纤激光器的光纤光栅传感实验研究

提出了一种基于线型腔掺铒光纤激光器的光纤布拉格光栅传感解调系统,并进行了理论分析和实验验证。此传感系统具有稳定性好、信噪比高、结构简单等特点。实验结果表明:在常温下光纤光栅传感解调系统能很好的实现光纤光栅传感信号的传感和检测;15m掺铒光纤用作增益介质可以产生较大信噪比的稳定激光输出,系统在4nm范围内的解调精度为0.04nm。     

FBG温度传感器增敏封装技术及实验研究

介绍了FBG(光纤布拉格光栅)温度传感器测温的基本原理和封装方法,提出一种新型的FBG温度传感器的封装技术,包括封装结构的设计及封装材料的合理选择,目的是提高FBG的温度敏感系数和消除应力的交叉影响。通过对裸光纤和封装后FBG温度传感器的温度特性、应力影响等进行对比实验研究,在5℃至90℃温度范围对FBG的反射波长进行了测量,结果表明:采用此法封装后的FBG温度传感器对温度具有很好的线性度和重复性,基本上消除了应力的影响,可以准确监测温度,测温范围为-15℃~200℃,精度达到±0.05℃。     

合金钢封装光纤Bragg光栅传感器传感特性的研究

提出了一种光纤光栅新型合金钢封装结构。利用等强度悬臂梁和温度控制箱对合金钢封装光纤布拉格光栅的应力和温度传感特性进行了测量。实验表明,采用该种封装的光纤光栅传感器保持了裸光纤光栅的响应灵敏度,其拉应变灵敏度系数为1.17pm/με,压应变灵敏度系数为1.2pm/με,温度灵敏度系数为11.3pm/℃,线性响应度在0.9995以上,可满足实际应用的要求。     

Widely tunable long-period fiber grating with nm-thick higher refractive index film overlay

By introducing a four-layer step-index waveguide modeling, the characteristics of long-period fiber grating (LPFG) with an nm-thick film overlay, which has higher refractive index than that of fiber cladding are investigated in detail. The influence of both the overlay thickness and refractive index on the tuning ability of LPFG is analyzed. The numerical results demonstrate that spectral response of LPFG is divided into three distinct regions as the overlay deposition increases and the shift of resonant wavelength is drastic in some special thickness range. In conjunction with higher-order cladding mode coupling and fiber cladding etching, the sensitivity of LPFG to the overlay refractive index is enhanced significantly and over 120 nm resonant wavelength tunable range is achieved.     

一种新型温度自适应光纤光栅动态传感系统

 研究了采用温度控制光纤Bragg光栅（FBG）作为信号解调器件的自适应光纤光栅动态传感系统。系统利用半导体制冷器件对滤波用FBG进行温度控制,以改变FBG的窄带滤波波长,使之在合适的滤波波长工作,以适应测量环境温度变化,实现对传感器环境温度变化的自适应。通过采用参考信道,去除系统噪音,提高测量精度。系统动态应变传感精度达到9.745×10^-10(Hz^-1/2。     

A simple temperature-insensitive fiber Bragg grating displacement sensor

The study on fiber Bragg grating (FBG) displacement sensor based on monitoring the back-reflected power from an array of novelly embedded FBG sensors is presented. The sensor is a uniform FBG with three sections that are embedded in different layer in a composite lamina. Its bandwidth is displacement dependent and hence its reflected power varies almost linearly with displacement and it is insensitive to temperature variation. Thus, only low-cost photodetector (PD) is required to monitor displacement. This study demonstrates a novel fiber sensor, a method of fabricated the same, and a method to achieve simultaneous multi-sensor measurement.     

具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率（RI）传感器,传感头结构由2段很短的多模光纤（MMF）之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅（FBG）构成,传感头总长度为14 mm,FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明,该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃,用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器,这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。     

Study and investigation of long period grating as refractive index sensor

In this paper, we have investigated the response of long period grating (LPG) as refractive index sensor. The response has been studied for refractive index variation ranging from 1 to 1.45. In this work, we found that the sensing mechanism is based on two different aspects. First is the change of coupling power from the guided core mode to other co-propagating cladding modes and second is the wavelength shift of the peak resonant wavelengths from their original positions due the change of refractive index of the environmental (external) medium surrounding the cladding of the grating.     

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.     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响,分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移,用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数,对传统耦合模理论进行了修正,增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算,可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响,与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论     

利用全光纤干涉解调技术的光纤光栅复用传感系统

提出了一种用于光纤光栅传感波长检测的新方法。系统采用全光纤Mach Zehnder干涉仪,运用动态的自参考相位检测方式,结合微机实时处理技术,实现了对三点复用传感器的高分辨率(0.99pm)解调,单点测量范围达3.32nm。系统结构简单、成本低,可以同时检测静态和低频动态信号。     

光纤光栅与受激布里渊信号的耦合特性

近年来,光纤布拉格光栅传感器与全分布式光纤传感器的融合技术受到了广泛关注,然而光纤布拉格光栅与布里渊信号之间的耦合特性鲜有报道。本文研究了光栅类型、波长、反射率及光纤的光致折射率对受激布里渊信号的影响规律,并探讨了空间分辨率对光纤布拉格光栅定位功能的影响。实验结果表明,在布里渊光时域分析系统中,光纤布拉格光栅处有尖锐的反射峰,而啁啾光栅、长周期光栅及光致折射率变化的光纤处均未出现尖锐的反射峰;光纤布拉格光栅反射率与受激布里渊散射功率谱无关;当光纤布拉格光栅的波长接近1 550 nm时,对受激布里渊频移测量的影响最大;在8 m的长度范围内,光纤布拉格光栅的定位误差约为4 cm,并且与空间分辨率无关。     

Bragg光纤光栅法布里-珀罗传感器的应变测量

提出了一种对静态应变进行高分辨率测量的方法。该方法是把Bragg光纤光栅(FBG)与全光纤法布里_珀罗传感器(FFPI)组合起来,利用FBG反射波长的漂移特性来测量干涉条纹的数目。通过利用FFPI和伪外差解调法对小数条纹进行解调,可实现高分辨率的测量。结果表明,静态应变的测量分辨率达到了33×10-9ε(ε为应变)。     

Comparison of single and double cladding long period fiber grating sensor using an intensity modulation interrogation system

The performance of long period fiber grating (LPFG) sensors written in single cladding and double cladding fibers have been compared by using a fast responding interrogation system based on intensity modulation. Temperature and dynamic strain monitoring using this system have been demonstrated. This system is capable of resolving strain to 0.2 and 0.4 με at a loading frequency of 20 Hz, and temperature resolution to 0.02 and 0.19 °C by using LPFG in the single cladding (SC-LPFG) and double cladding (DC-LPFG), respectively.     

基于分布式光纤Bragg光栅传感技术的光缆卷盘静态压力研究

基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.