基于保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪的温度不敏感压力传感技术

分析和仿真了含两段保偏光纤的光纤Sagnac干涉仪输出光谱特性,获得消除两段双折射光纤交叉敏感的条件。提出了一种基于保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪的温度不敏感压力传感技术。采用实心保偏光子晶体光纤作为传感光纤,搭建了基于双段保偏光子晶体光纤Sagnac干涉仪的侧向压力传感系统,分别进行侧向压力测试及温度影响实验。实验结果表明,侧向压力灵敏度可以达到的0.287 7 nm/N,同时由温度变化引起的漂移量小于0.1 pm/℃。

保偏光子晶体光纤的近圆形模场分布特性

在光纤陀螺中,由于保偏光纤的性能易受环境的影响,制约了光纤陀螺稳定性和精度的进一步提高。保偏光子晶体光纤的研究为光纤陀螺解决环境适应性问题提供了新思路,针对保偏光子晶体光纤与传统光纤的模场匹配问题,采用有限元方法,对保偏光子晶体光纤的保偏性能和模场分布特性进行了分析与研究。通过分析不同空气孔尺寸对保偏光子晶体光纤性能的影响,得到其保偏性能与模场分布特性存在相互制约性。提出了一种改善保偏光子晶体光纤模场分布的方法,并通过仿真分析验证了这一方法的可行性,这为光纤陀螺用光子晶体光纤的发展提供了借鉴。

基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器

针对扭转角度的精确测量问题,提出一种基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器.采用对温度不敏感的保偏光子晶体光纤作为扭转角度的传感单元,当保偏光子晶体光纤被旋转一定角度时,其双折射值会发生改变,进而影响光在环镜系统内的干涉情况,最终表现为光谱仪上干涉谱的移动.理论推导出系统的传感规律后,实验测得该传感器在扭转角度为0°~101°的范围内,灵敏度为0.061 7 nm/（°）;若光谱仪分辨率为0.01 nm,则系统最小分辨力为0.16°,并具有超低的温度灵敏度-0.6 pm/℃.该角度传感器具有体积小、成本低、对温度不敏感及可用于远距离传输等优点.

基于保偏光子晶体光纤的高灵敏度曲率传感器

为了能高精度测量小曲率,采用单模-鼓包-保偏光子晶体光纤-多模-单模光纤组成的结构,其中多模光纤和单模光纤之间错位熔接。通过理论分析和实验验证得到在0.04582m^-1-0.054776m^-1及0.054776m^-1-0.06929m^-1曲率范围内,谐振波长漂移与曲率变化之间分别存在着线性关系。结果表明,该曲率传感器灵敏度值分别为93.95nm/m^-1和30.89nm/m^-1,可以应用于健康监测等需要测量小曲率的场合。

保偏光子晶体光纤图像特征孔中心提取算法

保偏光子晶体光纤快慢轴的检测是保偏光子晶体光纤应用的关键技术。针对保偏光子晶体光纤端面空气孔数量多、尺寸存在差异及噪声和伪边缘干扰圆心定位精度的问题,提出一种双峰均值二值化法粗定位和径向扫描三点法精定位相结合的方法。采用双峰均值二值化法实现空气孔重心的粗定位;利用大空气孔定方位,选取两个具有结构对称的空气孔区域,去除粗大误差点,径向扫描法确定边缘三点进行圆心精定位,并利用半径阈值减小误差。实验结果表明,该方法能有效分割光纤端面图像,圆心偏差小于0.2个像素,为光纤定轴打下必要的理论基础。

基于图像的保偏光子晶体光纤定轴技术研究

分析保偏光子晶体光纤定轴的精度并进行实验验证。误差计算表明,空气孔中心提取算法精度越高、定轴空气孔中心距越大,定轴误差越小。算法精度分析表明,空气孔中心提取算法精度达到亚像素,圆心横坐标误差小于0. 2个像素,采用快轴轴线上中心距最大的两个小空气孔定轴,定轴误差小于0. 15°。相机实时采集端面图像,定位空气孔中心后求出旋转角,利用电机细分驱动转动保偏光子晶体光纤。准确度实验说明定轴算法可靠,精密度实验说明定轴算法稳定,最后的定轴实验证明,定轴技术可行,且能达到±0. 2°的定轴精度,易于推广到其他光子晶体光纤定轴。

基于保偏光子晶体光纤的Sagnac干涉温度与应变传感特性

提出一种基于Sagnac干涉原理的光纤传感器,并将其用于温度和应变的环境检测。实验中,选用乙醇溶液填充前后的保偏光子晶体光纤(PM-PCF)作为传感单元。首先,将未填充乙醇溶液的PM-PCF熔接到Sagnac干涉环路中,依靠PM-PCF基底材料的光热效应和光弹性效应,分别在26~50℃温度范围内和0~900μɛ应变范围内,实现了−1.72 nm/℃的温度传感灵敏度和35.35 pm/μɛ的应变灵敏度。然后,利用氮气加压装置,将乙醇溶液填充到PM-PCF包层空气孔内。这是利用功能材料的外场调谐作用来增强Sagnac干涉仪的传感性能。填充乙醇溶液后,该传感器的温度灵敏度达到−2.66 nm/℃,约为原始PM-PCF温度灵敏度的1.55倍。所提出的用于温度和应变测量的Sagnac干涉传感器结构较为简单,具有良好的迟滞性,对提升光纤传感灵敏度具有一定的借鉴意义。

基于模间干涉的保偏光子晶体光纤弯曲传感特性研究

提出了一种基于模间干涉原理的双空气孔保偏光子晶体光纤弯曲传感方法。采用有限差分光束传播法对保偏光子晶体光纤弯曲传输特性进行了仿真研究,给出了在弯曲调制时两个低阶偏振模干涉产生的双边瓣归一化光强与弯曲半径的关系,讨论了波长变化对弯曲传感灵敏度的影响,并对所设计的弯曲传感器进行了实验研究。研究结果表明：基于模间干涉技术的双空气孔光子晶体保偏光纤弯曲传感器在10~30 mm的弯曲半径范围内具有良好的线性度和检测精度。

零双折射温度敏感系数保偏光子晶体光纤研究

分析了影响保偏光子晶体光纤(PM-PCF)双折射温度敏感性的因素,利用有限元法仿真研究了热光效应和热膨胀效应对典型的实心结构PM-PCF双折射温度敏感系数的影响。结果表明在-150℃^+150℃的工作温度范围内,热光效应对双折射的影响可以忽略。得到了这种PM-PCF双折射温度敏感系数与相邻空气小孔圆心距离Λ的多项式模型,在Λ=5.24μm时,双折射的温度敏感系数为零。制作了5根不同Λ的PM-PCF样品,采用基于混合Sagnac干涉仪的测量技术分别测试了样品光纤双折射值随温度的变化,在Λ=5.16μm时,双折射的温度敏感系数为零,与仿真结果吻合。

实芯保偏光子晶体光纤散射测量与分析

实芯保偏光子晶体光纤在双折射、温度、抗辐照等方面具有独特的优势,非常适合于光纤陀螺应用,然而其损耗较大,影响着光子晶体光纤陀螺性能的提高,空气孔内壁表面粗糙度引起的散射是导致损耗的原因之一。针对实芯保偏光子晶体光纤散射损耗,建立了光纤散射模型,仿真计算散射损耗为0.179dB/km;搭建了全自动测试装置,测量灵敏度可达1pW,散射角测量范围可达15°～165°,光纤旋转角度分辨率可达1°,实现了三维散射球的测量,得到散射损耗为0.23dB/km,验证了理论仿真结果的可靠性。

保偏光子晶体光纤模场测量与放电调整技术

给出了保偏光子晶体光纤(PM-PCF)模场的计算模型,搭建了基于近场光斑成像法的PM-PCF非圆模场在线测量装置,采用红外成像系统实现了模场参数的绝对测量。在此基础上,研究了放电对PM-PCF模场的微调作用,结合仿真计算,获得模场参数变化规律。建立了PM-PCF与传统保偏光纤的耦合损耗计算模型,确定了低损耗耦合条件,并进行了熔接实验验证,实现了PM-PCF与传统保偏光纤的低损耗熔接。

保偏光纤模场直径和数值孔径测试研究

基于光纤测量远场法原理测量光纤远场光强分布。通过改进远场法得到光纤的远场光强分布后,同时计算得到保偏光子晶体光纤的模场直径和数值孔径,使测量装置实现集成化和简便化。通过光束测试仪测量光纤的出射光强分布,光束测试仪测量的是光纤中心最大光强点的两个垂直方向上的光强分布。保偏光子晶体光纤的出射光斑是椭圆的,每个方向的模场直径、数值孔径分布并不相同。传统的测试方法不能解决这个问题。通过旋转光纤测量光纤各个方向上的光强分布,然后计算各个方向上的模场直径,最后通过拟合各个方向上的模场直径得到保偏光子晶体光纤椭圆形的模场分布。实验测得保偏光子晶体光纤椭圆光斑长短轴的模场直径分别为7.5μm和4.2μm,数值孔径分别为0.159和0.276。

保偏光纤双折射度压力敏感性分析

基于有限元法对不同外界压力作用下的两种典型保偏光纤——熊猫保偏光纤(PAND Apolarization-maintaining fiber,PANDAPMF)和保偏光子晶体光纤(Polarization-Maintaining Photonic Crystal Fiber,PM-PCF)的内部应力场分布与光学特性关系进行分析,求解保偏光纤有效折射率(Effective Refractive Index,ERI)和双折射度对外界压力及其作用形式的响应规律。研究结果显示在单向受力条件下,两种保偏光纤的双折射度变化率均可达到10^-6RIU/MPa;在环向均匀受力条件下,PM-PCF的双折射度变化率为10^-6RIU/MPa,远高于PANDAPMF的10^-11RIU/MPa量级,具有更高的敏感特性。为干涉型保偏光纤传感器的设计和优化提供了理论依据和参考数据,具有较好的工程应用价值。

保偏空芯带隙光子晶体光纤温度特性研究

提出了一种具有良好保偏(PM)特性的空芯带隙光子晶体光纤(PBF)结构,利用全矢量有限元方法(FEM)对光纤有效折射率、拍长及限制损耗特性受温度波动的影响进行了研究。研究结果表明,在1.55μm波长处,该PBF的双折射高达6.19×10-3,拍长不超过0.25 mm;PBF拍长对温度波动不敏感,拍长温度敏感系数低于2.86×10-8m/℃,比常规的熊猫保偏光纤低两个数量级;光纤损耗对温度波动较为敏感,两正交偏振态限制损耗会随温度提高而增大。这种具有极低拍长温度敏感系数的PM-PBF可以有效降低谐振式光纤陀螺(RFOG)中热致偏振不稳定带来的误差,在RFOG、光纤通讯、光纤传感等领域具有重要的应用价值。

光纤电压传感器传感头优化与热致非互易误差抑制

针对普通光纤电压传感器在外界温度扰动下其输出精度和稳定性会受到严重影响这一问题,本文提出了一种采用保偏光子晶体光纤(polarization maintaining photonic crystal fiber,PM-PCF)作为传感光纤的传感头优化方法抑制温度扰动下的系统非互易误差。在综合考虑PM-PCF与传统熊猫型保偏光纤(panda polarization maintaining fiber,panda-PMF)尾纤间的熔接损耗、传输损耗以及现有工艺条件下的光纤制备等问题的基础上,优化得到了与panda-PMF间的熔接损耗低至0.14 dB的PM-PCF;并对比分析了这两种保偏光纤的双折射温度依赖特性,建立了全光纤类型的光学电压传感器(fiber optic voltage sensor,FOVS)热致系统误差输出模型,分析验证了PM-PCF在解决反射式逆压电型FOVS热致非互易问题的可行性。结果表明,采用PM-PCF优化后的FOVS热致非互易误差约是传统保偏光纤电压传感器的10^(-2)量级。这在提高系统输出精度和稳定性等方面具有显著优势,同时这种低损耗的优化方法在光纤传感及通信等领域具有重要的应用价值。

基于微结构光纤和游标效应的高灵敏度压力传感器

结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及军事工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高,传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小,导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元,并对Sagnac环的感压部分进行封装,通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0~2.4MPa内,压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa,分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器,其压力灵敏度放大了16.7倍。此外,传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点,为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。