飞秒激光加工光子晶体光纤微型F-P传感器研究

利用飞秒激光脉冲在光子晶体光纤上熔切出微小矩形孔从而构成光纤法珀干涉腔,并对这种传感器进行了实验测试,在0～1500με的应变范围内,干涉条纹波长相对于应变的灵敏度为0.0036nm/με,线性度达0.9989.在-20℃～100℃其温度系数为0.958nm/℃.利用飞秒激光在光纤上加工F-P腔方法简单,能够实现光纤F-P腔的规模化批量制造.

全光纤微型珐-珀干涉式高温传感器

通过在单模光纤SMF28e后有轴心偏移地熔接一段特种光子晶体光纤(MM-HNA-5)制作了一种全光纤微型珐-珀(F-P)干涉仪。分析了这种干涉仪的光学原理和形成机理,并利用MM-HNA-5光纤热光系数较大的特点,将这种干涉仪应用于温度测量。实验结果表明:这种干涉传感器可测量的高温范围可达1200℃,远大于常规传感器的测量范围,且当干涉腔长为3.46mm时,其光程差的温度灵敏度约为103nm/℃,线性度为0.9957。可以预见:这种结构稳定、体积小、精度高、测温范围广的全光纤F-P干涉温度传感器在国防及民用工业中将具有极大的潜在应用价值。

微型膜结构全光纤珐珀干涉高温传感器

制作了一种微型膜结构的全光纤在线珐珀干涉式高温传感器。该传感器是在单模光纤端面依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段研磨的多模光纤膜片而构成的,因此,温度引起的珐珀腔光程差改变量由空芯光纤的热膨胀和温度引起腔内压强改变从而改变膜片的扰度两部分组成,从而使相同温度变化下传感器的光程差变化量更大,分辨率更高。实验结果表明,在100～650℃,该传感器单位温度变化的光程差变化量约为1.029 nm,温度分辨率约为1.5℃,测量线性度约为0.996 7,且滞回小,重复性好。这种膜结构的全光纤珐珀干涉式高温传感器因其体积小,温度分辨率高,将在多点高温测量领域有好的应用前景。

一种自校准光纤珐珀动态应变检测系统的实验研究

针对工程中光纤珐珀传感器的工作点容易偏离线性工作区而使解调系统无法正常工作的实际问题,设计了一种可实现自动校准工作点的动态应变检测系统。该系统利用数字信号处理器控制可调珐珀滤波器自动输出波长满足工作点要求的窄带光,同时还通过软件校准的办法消除了因光源的不稳定、系统老化等缓变因素引起的信号波动对测量结果的影响。实验结果表明该动态应变检测系统能完成工作点自动校准,并且在500με范围内线性度可达99.79%,实验分辨率约为±0.5με。

基于空芯光子晶体光纤的微小型非本征光纤法布里-珀罗干涉应变传感器

报道了一种用空芯光子晶体光纤制作的法布里-珀罗腔体,利用光纤熔接方法将该法布里-珀罗腔体和两根普通通信单模光纤熔接起来构成的微小型光纤法布里-珀罗干涉应变传感器。这种干涉传感器制作过程仅应用了切割和熔接手段,光纤材料单一,因此受温度变化的影响小。另外,该类型传感器的干涉腔长度对干涉信号强度影响不大,其干涉腔长度可至数厘米。因此,这类传感器将在大容量、准分布式传感系统中具有极大的潜在应用价值。

基于空芯光子晶体光纤的在线法-珀标准件制作与应用

基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)的在线法-珀标准件(ILFE)应变传感器的应变灵敏度高,对温度敏感系数小,其腔长可制作得比传统ILFE长,适于在一路光路中进行频分复用从而扩大多点应变检测的准分布应变传感系统的容量。理论分析了制作中提高基于空芯光子晶体光纤的在线法-珀应变传感器输出信号的方案,通过实例讨论了光源时间相干长度对该类法-珀腔腔长的限制。结合波分频分复用,进行了基于该复用方法的应变测试实验研究,实验结果表明,其测量精度可达±5με,可用于大型结构健康监测。

高频CO_2激光脉冲写入光子晶体光纤长周期光栅的高温退火特性研究

报道了高频CO2激光脉冲在无限截止单模光子晶体光纤上写入的长周期光纤光栅的高温快速退火特性。实验发现以大约600℃为转折点,在退火温度低于600℃时,退火后的光栅谐振峰在低于退火温度的高温环境中的温度响应和应变响应都不稳定,线性度和重复性都较差;而在退火温度高于600℃而低于700℃时,退火后的光栅谐振峰在低于退火温度的高温环境中的温度响应和应变响应都很稳定,线性度和重复性也很好。如果将光栅加热到更高温度时,光栅会被慢慢部分擦除掉。通过对CO2激光脉冲在光纤上写入光栅过程引入光纤轴向不均匀的应力在不同高温下释放效率和程度的分析,对该现象进行了解释。

基于光子晶体光纤法布里-珀罗干涉仪的温度自补偿折射率计

采用手动熔接实芯光子晶体光纤和普通单模光纤制作本征法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)干涉传感器的方法,提出了一种可实现温度自补偿的高灵敏度折射率计。理论与实验表明,新型F-P干涉传感器的对比度不受环境温度影响只随着外界折射率的变化而变化,当外界折射率在1.32～1.44范围内变化时,其折射率灵敏度约为4.59/RIU,分辨率约为2×10-5。此外,该传感器的腔长具有较高的温度灵敏度,在20～100℃范围内,其温度灵敏度为18.72 nm/℃。因此,可以通过同时监测该传感器对比度和腔长的变化就可以实现折射率和温度的同时测量,在实际工业应用中具有广泛的应用前景。

基于环形反射面的全光纤法-珀干涉式折射率传感器

通过在单模光纤后依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段小芯径空芯光纤,制作了一种由小芯径空芯光纤形成环形反射面的全光纤法-珀腔。由于这种环形反射面结构的中间通孔适合气体或低粘度液体进出,因此可将其应用于气体或低粘度液体的折射率测量。分析了这种结构形成光纤法-珀腔的机理,并实验研究了这种基于环形反射面的干涉式折射率传感器,得到了这种传感器用于折射率测量时的分辨率约为1.652×10-6。可以预见这种具有环形反射面的法-珀干涉式折射率传感器在有毒、易燃、易爆的气体以及低粘度液体的折射率或含量检测中具有极大的潜在应用价值。

基于HCPCF的F-P应变传感器的波分频分复用

提出一种基于空芯光子晶体光纤(HCPCF,hollow core photonic crystalfiber)的Fabry-Perot(HCPCF F-P)干涉应变传感器进行大容量的波分频分复用实验。HCPCFF-P应变传感器的干涉腔长度可达cm数量级,并且温度对应变的交叉影响小。优化制作了HCPCFF-P应变传感器,重点研究了6个不同长度干涉腔应变传感器的波分频分复用实验。实验结果表明,复用系统的应变测量精度可达±20με。

基于大偏置熔接的全光纤法布里一珀罗湿度传感器

利用大偏置熔接方法在两段单模光纤（SMF）中间熔接一小段单模光纤作为支撑梁制作了一种开腔式法布里一珀罗（F—P）干涉传感器。提出在干涉腔内填充一种湿度敏感型物质聚丙烯酰胺（PAM）从而形成一种高灵敏度的微型湿度计。当PAM通过吸收空气中的水蒸气而引起自身折射率发生改变，从而导致F-P干涉谱发生漂移，通过检测干涉谱的漂移量可以实现对环境相对湿度的测量。实验结果表明，这种湿度传感器在38％～78％的相对湿度范围内，在PAM折射率变化范围内其干涉谱漂移了约4nm，漂移量与相对湿度的灵敏度约为0．1nm／oA；而在88％～98％的相对湿度范围内可实现高灵敏度的湿度测量，其干涉谱漂移了约59nm，漂移量与相对湿度的灵敏度为5．868nm／％。