面向航天领域应用的分布式光纤传感技术研究(特邀)

基于光纤传感网络的测量技术具备多测点、快速测量、抗电磁干扰及本征安全等优势,在航空航天、电力和土木等领域有广泛的应用前景。回顾了航天领域光纤传感技术的应用进展,围绕飞行器应用的光纤传感关键技术,着重分析了光纤传感器设计与制备和分布式光纤调制解调技术,以集成高密度弱反射光纤光栅传感器的热防护材料为监测对象,搭建光频域反射系统,获取了单面加热情况下热防护材料毫米级空间分辨率温度分布信息,并给出了高空间分辨率分布式光纤传感系统在航天领域应用的发展建议。

掺铥光纤激光器的波长调谐特性研究

基于简化的二能级激光系统和均匀展宽理论模型,利用原子速率方程和功率传输方程建立了掺铥光纤激光器的理论模型,并以环形腔掺铥光纤激光器为例,通过Matlab编程数值模拟研究了其出射功率和波长调谐范围与腔内损耗、掺铥光纤长度、输出耦合比、泵浦波长和泵浦功率等激光器参量的关系。数值模拟结果表明,降低激光器腔内损耗、提高泵浦激光功率和优化掺铥光纤长度可以提高掺铥光纤激光器的出射功率和增加波长调谐范围,而增加输出耦合比虽能提高激光功率,却减小了波长调谐范围。经过参数优化,在腔内总损耗为3 dB、输出耦合比为10%的情况下,通过提高泵浦激光功率和优化掺铥光纤长度,掺铥光纤激光器的波长调谐范围可达528 nm(1 660~2 188 nm),高于目前已报道的实验结果。将部分模拟结果与文献报道的实验结果进行对比,较好地证实了模型的准确性。研究工作对于掺铥光纤激光器的设计和发展具有重要的理论参考价值和指导意义。

基于BOTDA的分布式光纤高温传感研究(特邀)

基于布里渊光时域分析(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA)测量技术分别研究了单模光纤、光子晶体光纤和镀金光纤在1100℃、1200℃和1000℃的高温传感特性,通过对石英光纤的布里渊频移(Brillouin frequency shift,BFS)跳跃现象和涂覆层燃烧现象进行研究,指出石英光纤均需要退火才能够达到热稳定状态。退火后,三种光纤的布里渊频移随温度呈非线性变化。其中,单模光纤和光子晶体光纤高温状态下涂覆层气化,二氧化硅发生晶化导致其机械强度大幅下降,因此仅能作为一次性高温传感器;镀金光纤由于金涂层具有较高的熔点和良好的气密性,高温退火后仍然能够保持良好的机械强度,因此可以作为一种重复使用的高温传感器。该研究有望为高温传感应用(如涡轮发动机内部温度监测)提供一种技术参考。

光纤-明胶法布里-珀罗干涉湿度传感器

在单模光纤尾端熔接几十微米长的空芯光纤及在空芯光纤尾端涂覆明胶湿度敏感膜,构成法布里-珀罗干涉结构,感应湿度变化引起的明胶膜厚度变化对干涉腔长的调制,通过光谱测量实现了对相对湿度的传感。研究结果显示,该传感器在温度为20℃下,20%~80%RH的湿度范围内,灵敏度达到192 pm/%RH,并拥有较好的测量精度和重复性。此外,对传感器在温度分别为15℃和25℃下进行湿度上升实验,获得灵敏度分别为173 pm/%RH和194 pm/%RH。为了同时监测环境温度的变化,在传感器的尾纤级联了光纤光栅,实现对温度的同时测量。该光纤湿度传感器制作简单、灵敏度高、可同时测量温度,有望在湿度测量领域获得应用。

基于Sagnac环镜的多波长线性腔掺铥光纤激光器(特邀)

研究了一种基于光纤Sagnac环镜的多波长线性腔掺铥光纤激光器。该激光器采用1.5 m长的双包层掺铥光纤为增益介质,793 nm激光二极管为泵浦源,光纤Sagnac环镜和光纤环形镜构成激光器谐振腔。通过增加泵浦功率和调节偏振控制器,在1 949~1 976 nm的光谱范围内实现了1~7个波长的激光输出,输出功率达毫瓦量级,光信噪比达到40~50 dB。

基于FBG啁啾效应的强度解调型光纤热式风速计

针对现有的波长解调型光纤布喇格光栅(FBG)风速计系统成本高、操作不方便等问题,提出一种基于FBG啁啾效应的强度解调型光纤热式风速计。使用泵浦激光对长度为15 mm的FBG进行非均匀加热后,使其产生明显的啁啾效应,利用啁啾化FBG在风速作用下温度梯度降低导致啁啾程度减弱,其反射光功率也随之减小的原理,成功实现了强度解调型的FBG风速测量。实验结果表明:风速计的测量范围达0~11 m/s,在风速为0.1 m/s时风速计的灵敏度高达-28.60μW/(m·s^(-1)),其动态响应时间小于1 s(低风速到高风速约为0.3 s,高风速到低风速为0.9 s)。

用于动态应变测量的快速分布式布里渊光纤传感

近些年,分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力,以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中,布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点,受到广泛关注。传统的BOTDA系统平均和扫频过程比较费时,只适宜进行静态或缓慢的应变测量。通过分析BOTDA系统的分布式传感原理,总结了限制其快速分布式传感测量的主要因素。针对这些限制因素,综述了近期快速BOTDA系统取得的一系列的进展,主要包括基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统、基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统、基于斜坡法的快速BOTDA系统、基于光学啁啾链的快速BOTDA系统、基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统,指出通过单一或者多个新技术组合而成的快速BOTDA系统具有更好的性能和更广阔的应用前景。

光源加热型高灵敏度光纤热式风速计

针对光纤热式风速计需要专门的泵浦激光或加热电阻所带来的成本增加和操作不便,提出了基于光源自加热效应的高灵敏度光纤热式风速计。首先在单模光纤端面用紫外光固化胶制作法布里-珀罗干涉仪并将其作为传感探头;然后利用传感探头对输入宽带光源的吸收所产生的热量,获得自身较高的初始温度;最后测量传感探头在气流作用下温度降低及应变所引起的干涉光谱的波长漂移量,根据波长漂移量与风速的特定关系来实现风速测量。在0~7 m/s的风速范围内对传感探头进行测量,结果表明传感探头获得高达-3.13 nm/(m·s^(-1))的风速灵敏度,响应时间约为250 ms。