无节点反谐振空芯光纤1064nm高功率皮秒脉冲传输

本文报道了利用自制低损耗、无节点反谐振空芯光纤传输高功率1064 nm皮秒脉冲激光的研究。光纤包层由7根平均壁厚为700 nm的细玻璃管组成,纤芯直径为42μm,外径为175μm。选择脉冲宽度为15 ps且重复频率可调谐的高功率激光器作为实验光源。使用不同长度的光纤进行了传输测试,测试结果表明：当输入单脉冲能量为403μJ、平均功率为40.3 W、峰值功率为26.8 MW的激光时,最高可实现370μJ的高能量激光输出,传输效率高达91.8%。分析了超短脉冲经过不同长度光纤后时域和频域的变化情况,结果表明：当光纤长度为1 m时,脉冲保持无畸变传输,光谱发生轻微变形;当光纤长度增长至3.3 m时,由于非线性效应的影响,脉冲宽度展宽至26 ps,光谱展宽至70 nm。本研究表明无节点反谐振空芯光纤有望在超短脉冲激光的传输应用领域发挥重要作用。     

基于NI Vision的保偏光纤几何参数测量技术研究

近年来随着高精度光纤陀螺小型化的发展,细径保偏光纤的研制生产技术不断成熟,在研制和应用过程中急需对保偏光纤的几何参数进行准确测量。基于环形LED光源斜射照明的暗场成像技术,结合NI Vision视觉工具包提供的图像粒子分析处理算法,实现了保偏光纤各项几何参数的实时快速测量,且实验测量结果的重复性较好,能够很好地满足细径保偏光纤在研制生产和应用中的测量需求。     

基于SSS结构仿真的F-P腔磁流体填充光纤传感器研究

光纤传感器在工业生产对磁场检测具有着重要意义。本文研究了基于SSS结构的F-P腔磁流体填充光纤传感器对于磁场的敏感性问题。首先,通过Rsoft软件对SSS光纤传感器结构特点进行了研究。由SSS的传感区域延伸出磁流体的填充的实验思路,搭建了磁场发生器,制作了将磁流体填充进F-P结构光纤空腔内传感器,通过变化磁场强度对磁流体的折射率性质进行了研究。得到了磁流体在磁流体在一定的磁场强度内,折射率与磁场强度成一定比例的关系,并实现了F-P腔磁流体的填充。     

光纤F P腔干涉纳米级位移高分辨率测量

激光抗干扰性好、复用能力强,光纤F P腔干涉仪结构简单、灵敏度高,适于纳米级位移测量。为了进一步提高分辨率,扩展测量范围,本文对光纤F P腔干涉信号的相位和功率进行分析。首先给出了二倍次方功率和分辨率的关系,找出了提高分辨率的途径。然后给出了二倍次方功率和干涉条纹变化的关系,确定了测量条件。最后根据光纤波在F P腔内干涉形成的滞后相位,通过多次希尔伯特变换,实现了待测物体位移重构。数值模拟和实验证明了该方法能够实现高分辨率纳米级位移测量,误差小。     

基于卷积神经网络的混叠光谱解调方法

研究了一种基于深度学习的光纤光栅混叠FBG光谱解调方法。利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)模型处理混叠光谱非线性序列模型问题,通过一维卷积神经网络预测识别混叠光谱中心波长,并搭建了并联结构的混叠光谱数据自动采集实验系统,验证了混叠光谱的中心波长高精度解调。实验分析了训练样本、迭代次数对训练时间、测试时间、解调精度的影响,并对训练完成后的模型进行了解调时间测试。分别与其他解调算法进行了解调精度和测试时间对比,同时对同一组光谱数据使用解调模型算法及最高点寻峰算法进行中心波长值的对比并进行误差分析。实验结果表明:解调模型均方根误差结果为0.082 58 pm,使用Intel(R) Core(TM) i7-8550U CPU （Central Processing Unit）的解调计算时间为0.338 s。研究结果表明:采用卷积神经网络模型对于混叠光谱中心波长解调结果的准确性具有合理性,与其他算法相比,文中的解调算法在解调精度和时间上具有优势,模型大小在400 kB以下,所需算力较小,可部署在小型嵌入式设备中,在大规模机载传感网络,结构健康监测中有良好的应用前景。     

光纤氢气传感技术（特邀）

光纤氢气传感器采用光纤作为传光或者传感的介质,基于氢敏材料的相关理化特性实现氢气检测,具有本质安全、稳定性好、体积小、质量轻和易组网等优良特性,是目前氢气传感和光纤传感领域的研究热点。文中首先介绍了典型氢敏材料的作用机理及特点,然后依据氢敏材料的调制机理,综述了几类典型的光纤氢气传感技术及基于受激拉曼增益或色散的新型光纤氢气传感技术,最后从传感器关键工艺及环境适应性方面分析了目前光纤氢气传感器实用化需要解决的问题,并对未来的研究方向进行了展望。     

面向敏感环境的反射式光纤传感防盗系统设计

为了解决在敏感环境中位置测试容易受到干扰的问题,提出了一种基于反射式光纤传感防盗系统。该系统采用T型光纤探头作为无源传感探头,反射配件安装于安防外壳表面,通过实时测试位置偏移量提供安防预警。探测模块通过预先测试最佳反射位置的方式,将光纤探头与反射配件固定于安防位置上。在获取激光回波信号的基础上,计算了关于位置的场强分布函数。在标定实验中,测试位置由0递增至5.0 mm,响应光功率最大值为18.76 μW,方差最大值0.124。当超过3.0 mm后的曲线单调性良好,符合系统设计要求。在不同干扰类型对比实验中,分别对比了湿度、温度、振动对系统测试结果的影响程度。实验结果显示,干扰项的光功率波动无论是线性还是非线性的,其波动范围小于4 μW,而真实人为打开条件下,其波动程度大于18 μW。与此同时,系统反演计算的位移偏移量也发生显著改变,相比干扰项的位移偏差均值大8倍以上。系统具有传感端无源、灵敏度高、实时性好等优势,可有效应用于敏感环境中的安防监测。     

石英管增强拉曼光纤探头粉末样品探测

拉曼光谱技术以其多组分同时探测、分子指纹特性等优点被广泛应用于多个领域,但其较低探测灵敏度严重限制了此技术的进一步发展。为了提高拉曼光谱技术粉末样品原位分析能力,提出了一种基于石英管增强的高灵敏度拉曼光纤探头。探头采取内镀金属空芯光纤用于光信号的传输,有效减小了背景信号对拉曼光谱的影响;探头底端采用石英管设计,增大采样体积和收集效率,提高了拉曼光谱的探测灵敏度。理论分析了石英管拉曼光谱技术可提高粉末样品的探测灵敏度,详细介绍了探头的设计和实现,进一步评估探头的性能,结果表明:相较于球透镜拉曼探头,拉曼信号强度（NaHCO₃）增强2.92倍。为模拟实际应用场景,采用光纤拉曼探头成功获得了容器中不同深度粉末样品（Na₂SO₄和NaHCO₃）的拉曼光谱信息。文中设计的石英管增强拉曼探头具有外径尺寸小（外径仅为2 mm）、灵敏度高等优点,可对深层次粉末样品进行探测,为现场粉末样品原位分析提供了一种新途径。     

1 532 nm全光纤Er/Yb共掺杂激光器

近年来,相干探测激光雷达是测量远距离低空风切变的有效手段,1.6 μm波段固体激光器以其人眼安全、探测器件成熟等优势成为相干雷达主要光源。其增益介质Er:YAG晶体在1532 nm波段有较强的吸收峰,但吸收谱较窄,因此通过使用1 532 nm光纤激光器进行谐振泵浦可以有效提高晶体输出效率。为此,文中以Er/Yb双包层光纤为增益介质,1532 nm光纤光栅为反射腔镜,976 nm半导体激光器为泵浦源,实现了全光纤化1532 nm激光输出。输出激光最大功率73.44 W,波长可调谐范围为1531.35~1532.14 nm,波长谱宽为0.06 nm,x和y方向的光束质量M2分别为1.38和1.26,是1.6 μm固体激光器的理想泵浦源。并采用此激光器泵浦Er:YAG非平面环形腔获得1.3 W单频激光输出,斜率效率为31.76%。     

基于四波混频效应的1.5 μm多波长单频光纤激光器（特邀）

利用笔者自主搭建的双波长单频光纤激光器作为种子,通过声光调制器以及多级光纤放大后,将激光注入至100 m长的高非线性光纤中,该光纤的零色散点在1 550 nm处。借助高非线性光纤的四波混频效应,最终在峰值功率13 W的泵浦下获得了一系列新的光谱成分,20 dB范围内共产生了46条新光谱。这些光谱跨越了1.337 THz,并且每条光谱中只包含一个纵模。由于新光谱基于四波混频效应产生,不同光谱之间不存在增益竞争等问题,因此,该激光器的多波长单频可以稳定存在,并且光谱强度接近。该多波长单频光纤激光器不仅具有线宽窄、相干性高、噪声低等优势,由于其还可以在全光纤结构下同时输出多个波长的单频激光,这使得其在波分复用光通信、光频率转换、激光雷达、微波光子学等领域具有十分重要的应用。