Wavelength Shift of Cladding Mode Resonances in a Mechanically Induced LPFG by Twisting the Fiber

Abstract

The long-period fiber grating is mechanically induced over a twisted fiber and its characteristics are investigated. The amplitude as well as the wavelength shift of the resonance is studied in response to the applied twist and pressures. These resonances decrease in amplitude and shift to shorter wavelength side as the applied twist increases. The spectral responses of a grating assembly formed by two grating sections in series, one section with a twisted fiber and other with an untwisted fiber, are also investigated. Shearing stress and photo-elasticity causes the fiber to be circularly birefringent and the mechanically induced grating formed over the twisted fiber region causes the appearance of two resonances shifted away from the resonances of the untwisted grating section. At higher twist rates, resonant wavelength shift becomes insensitive to applied pressures, showing a reduction in the induced linear birefringence. The wavelength shift is almost symmetric with respect to the applied twist rate in clockwise and counterclockwise directions.     

Wavelength Shift of Cladding Mode Resonances in a Mechanically Induced LPFG by Twisting the Fiber

The long-period fiber grating is mechanically induced over a twisted fiber and its characteristics are investigated. The amplitude as well as the wavelength shift of the resonance is studied in response to the applied twist and pressures. These resonances decrease in amplitude and shift to shorter wavelength side as the applied twist increases. The spectral responses of a grating assembly formed by two grating sections in series, one section with a twisted fiber and other with an untwisted fiber, are also investigated. Shearing stress and photo-elasticity causes the fiber to be circularly birefringent and the mechanically induced grating formed over the twisted fiber region causes the appearance of two resonances shifted away from the resonances of the untwisted grating section. At higher twist rates, resonant wavelength shift becomes insensitive to applied pressures, showing a reduction in the induced linear birefringence. The wavelength shift is almost symmetric with respect to the applied twist rate in clockwise and counterclockwise directions.     

表面镀层长周期光纤光栅双峰谐振及其透射谱研究

采用严格的耦合模理论,通过求解表面镀层长周期光纤光栅的特征方程,给出了双峰谐振波长的确定方法,以及它与光栅周期和模式序数之间的关系。结果表明,对应于较高次的包层模式,存在双峰谐振现象,且包层模式序数越高,与芯模产生谐振耦合所需的光栅周期越小。进一步讨论了双峰谐振波长的间距随薄膜参量与光栅参量变化的关系,描绘了这些参量对透射谱衰减谐振峰的影响,理论分析结果与X.W.Shu的无镀层长周期光纤光栅实验结果一致。这些研究为建立高灵敏的双峰谐振薄膜传感器提供了结构优化的理论支持。     

一种双段多层长周期光纤光栅光谱特性研究

长周期光纤光栅(LPFG)传感器具有非常广泛的应用价值,而有效解决物理量交叉敏感问题是其实用化的关键。基于LPFG对包层外介质折射率和厚度的敏感性,提出一种双段多层折射率横向分布结构的新型LPFG传感器的设计,并利用耦合模理论和传输矩阵方法分析了镀膜材料折射率、膜层厚度和镀层长度对新型LPFG传感器光谱特性的影响。软件仿真结果证明,这种LPFG由于结构设计上的特殊性,将使LPFG的谐振峰发生分裂,即一个透射峰分裂为两个。由于两个分裂峰对应力和温度的灵敏度不同,利用该结构的LPFG作为传感器,可以实现温度、应力等物理量的同步测量,从而解决LPFG传感器的交叉敏感问题。     

基于长周期光纤光栅和保偏光纤Sagnac环光谱特性的温度与应变测量研究

提出并研制了一种结构简单、成本低廉的温度与应变同时测量系统,其结构是在保偏光纤Sagnac环内接入一个长周期光纤光栅(LPFG)。利用LPFG对保偏光纤Sagnac环的透射光谱进行调制,通过监测谐振峰波长和强度的变化,发现波长随温度和保偏光纤的应变变化,强度随LPFG的应变变化,因此可以实现温度与应变的区分测量,并且可判断出应变的施加位置。实验得到该系统的温度灵敏度为0.181 81 nm·℃-1,LPFG区的应变灵敏度为0.005 283 dB·με-1,保偏光纤Sagnac环区的应变灵敏度为0.015 72 nm·με-1。实验结果表明该方案可行,并具有一定的实用性。     

用双周期光纤光栅实现温度和应变的同时测量

介绍了光纤光栅传感器的一般原理，分析了长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的应变和温度响应机理。结果表明，长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关，还依赖于包层参数。在同一根光纤上先后写入长周期光纤光栅、Bragg光纤光栅，利用长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅基模与包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同，实现应变和温度的同时测量。     

聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及其低温特性

介绍了一种新型的光纤光栅温度传感器。这种光纤光栅温度传感器使用了特殊的工艺将光纤布拉格光栅封装于一种热膨胀系数较大的有机聚合物基底中 ,使得传感器的温度灵敏性比裸光纤光栅提高了 12 .3倍 ,其温度灵敏度系数KT 达到 82 .6 9× 10 -6/℃。在 - 80～ 0℃的低温度范围内 ,对这种新型光纤光栅温度传感器的反射谱进行了测量。研究了这种新型光纤光栅温度传感器的低温特性 ,并与裸光纤光栅和铝基封装的光纤光栅进行了比较 ,结果表明这种新型的光纤光栅温度传感器具有很好的低温响应特性。     

用一根光纤光栅实现温度与应变的同时测量

报道了一种用一根光纤光栅实现温度与应变同时测量的新方案。用于同时传感温度与应变的光纤光栅写于两种不同光纤的连接处,本身具有两个反射峰。将其中半个光栅粘于热膨胀系数较大的基底材料上,这样,两个反射峰便具有不同的温度及应变响应,由此实现温度与应变的同时测量。     

利用双周期光纤光栅实现应变和温度同时测量

提出了一种新颖双周期光纤光栅传感器。在同一段氢载光纤上先后写入长周期光纤光栅、短周期布拉格光纤光栅 ,利用长周期光栅和布拉格光栅对应变和温度敏感性的差异 ,可实现应变和温度的同时测量。实验中采用这种灵敏结构的双周期光栅 ,在 0～ 170 0 με和 2 0℃～ 12 0℃范围内 ,测量精度可达到± 16 με和± 0 8℃。     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

Simultaneous Measurement of Refractive Index and Temperature Using a Hybrid Fiber Bragg Grating/Long-Period Fiber Grating Configuration

Abstract

A fiber optic sensing system for simultaneous measurement of refractive index and temperature, based on a hybrid fiber Bragg grating/long-period grating arrangement is described. The experimental results show that this setup has a good performance in terms of linearity and sensitivity, the ratiometric output changes 4%/0.001 RIU and 3.6%/°C, respectively. The sensor resolution for the refractive index is ≈2 × 10^?5 RIU. The simultaneous measurement of the refractive index and temperature was demonstrated. The sensing configuration has the ability to be read-out in reflection and works in the telecommunications window.     

Theoretical Research on Sensitivity for Resonance Wavelength of Long Period Fiber Grating

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ａｌｏｎｇｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇ (ＬＰＦＧ)ｉｓａｎｏｖｅｌｐａｓｓｉｖｅｆｉｂｅｒｅｌｅｍｅｎｔａｒｉｓｉｎｇｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ[1] .ＳｅｖｅｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＬＰＦＧｈａｖｅｂｅｅｎｆｏｕｎｄ ,ｓｕｃｈａｓ ｇａｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅｆｌａｔｔｅｎｅｄｆｉｌｔｅｒ,ｂａｎｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒ,ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ,ｓｔｒａｉｎｏｒｎｅｗｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｓ[2 ,3] .ＩｔｃａｎｂｅＵＶ ｗｒｉｔｔｅｎｏｒ…     

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.     

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.     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

用单光纤光栅实现扭转与温度的双参量传感测量

采用一种新颖的扭梁设计结构 ,利用单光纤光栅成功地实现了扭转 (扭转角或扭矩 )与温度的双参量同时测量。该方法能够有效地解决扭转角与温度的交叉敏感问题 ,且光纤光栅波长的变化对扭转角、扭矩及扭应力 (力臂一定时 )均呈线性关系。在 - 40°～ +32°范围内 ,扭转角、扭矩和温度的传感灵敏度分别达到 0 .19nm (°)、3.2 9nm Nm和 0 .0 3nm ℃ ,波长线性调谐范围可达 14.2 0nm。     

光纤光栅反射谱对非均匀应变的展宽响应

光纤布拉格光栅在非均匀应力场作用下，其纤芯折射率及光栅栅距都将产生非均匀变化，本文给出了光纤光栅与非均匀应变场的相互作用模型，建立了反射谱对非均匀应变的响应关系。并给出了线性应力场的实验结果。     

光子晶体光纤中级联长周期光栅双谐振波长干涉的研究

通过分析单模光纤SMF中的LPG对的传输特性及几个因素对干涉透射谱的影响,并结合前期工作,主要研究光子晶体光纤(PCF)中的LPG对在1665 nm附近U波段传输特性.结合光栅耦合强度与波长的关系以及拍长与波长的关系,对PCF中LPG对的参数进行选择设计,得到双谐振波长的干涉谱,级联LPG对构成的MZI干涉光谱在两个谐振波长处由于耦合强度不同而不同.     

双长周期光栅调制的光纤光栅光谱分析及其在智能结构监测中的应用

提出一种双长周期光栅(LPFG)调制光纤Bragg光栅(FBG)传感器光谱的方法。双LPFG是由两个中心波长一致的LPFG构成,FBG反射光谱位于双LPFG透射光谱的线性范围内。在对FBG及双LPFG光谱分析的基础上,利用双LPFG的带阻滤波特性,获得FBG反射光经双LPFG调制后的出射光谱并进行分析。将FBG粘贴于钢梁表面,当钢梁产生弯曲应变时,FBG光谱的中心波长发生偏移,经双LPFG调制的FBG光谱的峰值随之变化,引起双LPFG出射光强的变化。采用光电探测器监测经双LPFG调制后FBG的输出光强,得滤波后光强与FBG中心波长变化成线性关系,可探测的材料(钢梁)最小应变为1.05 με。将该方案应用于光纤智能结构冲击监测中,采用摆锤冲击法对四边固支碳纤维板(CFP)试件进行冲击,利用FBG测量板结构的冲击响应信号,系统采集到的动态信号时域波形及频谱与电涡流位移计的测量结果吻合得很好, 实验结果表明采用该调制、解调方案测量结构的冲击响应是可行的。研究结果为FBG在光纤智能结构动态监测领域提供了实验参考。     

基于扫描激光器的边孔光纤光栅温度压力传感系统

研究了一种基于波长扫描激光器的光纤温度压力测量系统.光纤传感头为边孔光纤光栅,利用其特有的双折射特性产生双反射峰,以实现对温度和压力的同时测量.系统采用嵌入式开发技术,将激光波长扫描、光谱数据采集和以牛顿最小二乘法为核心的光栅解调算法高度整合于一体,极大降低了光纤传感系统的体积与成本.实验结果表明,在温度10~50℃、压力0~1.2 MPa时,双反射峰对应温度与压力的变化均呈现良好的线性响应特性;系统的波长解调准确度可达1pm,温度及压力的分辨率分别达到0.1℃和0.1 MPa.该系统可为温度、压力的参量测量提供低成本、小型化、性能可靠的解决方案.