基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率

利用单模光纤(SMF)中的包层模与纤芯导模之间的干涉,提出了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构与布拉格光栅(FBG)级联可同时测量温度和折射率的传感器。基于MSM结构的干涉谱和FBG的透射峰对温度和折射率具有不同响应灵敏度的特点,利用敏感矩阵实现了对温度和折射率的同时测量。实验测得MSM结构和FBG的温度灵敏度分别为0.055 2nm/℃和0.015 8nm/℃,MSM结构的折射率灵敏度为109.702nm/RIU,而FBG对折射率变化不敏感。温度和折射率的测量精度分别为±0.32℃和±0.002 3。实验显示提出的MSM结构的温度灵敏度比单模-多模-单模(SMS)结构传感器提高了5倍,同时由于SMF中的包层模对外界环境的变化较敏感,该MSM结构也可应用于其他传感领域。

磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤结构的磁场传感特性

基于磁流体包覆的无芯-单模-无芯光纤的磁场传感结构中,无芯光纤起激发单模光纤的包层模并实现芯模-包层模干涉的作用.实验测量了该传感结构在不同外界磁场强度和温度下的透射光谱,研究了其磁场传感性能及环境温度对传感性能的影响.结果表明,随外界磁场强度的增加,波长在1 462nm和1 477nm位置附近的干涉谷均发生红移,其相应的磁场传感灵敏度分别为67.28pm/Oe和49.82pm/Oe;波长在1 462nm位置附近的干涉谷随温度的增加发生蓝移,干涉谷随温度变化的灵敏度为37.8pm/℃,该传感结构制作简单、灵敏度高,有很好的应用前景.

余弦-高斯激光脉冲在单模光纤中的色散效应

首次提出了余弦-高斯激光脉冲,并证明了该脉冲可由两个相位相反的线性啁啾的高斯激光脉冲叠加得到。由NLS方程出发,对余弦-高斯激光脉冲在色散介质中的色散效应进行了详细的研究。研究结果表明,初始啁啾并不影响入射场的光强分布;当脉冲参数a=1.13时,余弦-高斯激光脉冲的初始脉宽有最小值,且比高斯激光脉冲的初始脉宽要窄;余弦-高斯激光脉冲的展宽因子与传输距离、色散长度LD、激光脉冲参数a、初始啁啾参量C和β2的符号有关,余弦-高斯激光脉冲都比高斯激光脉冲的展宽要快,且参数a越大展宽就越明显。

单模-多模光纤产生系列Bottle beam

提出一种利用多模光纤的多模干涉效应在自由空间中获得多个局域空心光(Bottle beam)的新方法。单模-多模光纤结构是一段多模光纤无偏心地连接到一段单模光纤上,光由单模光纤传输到多模光纤激发产生一系列的LP0,n模,由于多模干涉效应在多模光纤中相互叠加,当入射到自由空间后形成了多个Bottle beam。文中对光束传输过程进行理论分析并利用Matlab进行仿真实验,结果表明在自由空间中可以获得系列Bottle beam。当多模光纤纤芯直径分别为45μm,60μm和90μm时所选择的光场段内的Bottle beam的尺寸大小基本相同(约400μm×20μm),而第一个空间暗域沿轴向两侧相对光强差值分别为0.62,0.41和0.11,可见当多模光纤的纤芯直径越大时所得到的Bottle beam暗域的轴向两侧光强越相近,因此也越有利于囚禁微粒。

多模-单模结构光纤表面等离子体共振传感实验

表面等离子体共振技术的应用日益广泛,但是由于其敏感单元制备复杂,尤其是光纤表面等离子体共振传感系统的传输效率较低,使得此类传感实验很难在本科教学中进行开展。本文提出了一种多模-单模结构光纤SPR传感实验,简化了敏感单元的结构,提高了传输效率。通过对水、丙酮、乙醇、异丙醇和正硅酸乙酯进行了实验测量,结果表明,该实验装置的平均灵敏度可以达到2902 nm/RIU,敏感单元制作简单,制作成功率高,非常适合于本科教学中采用。

PAM-DMT单模光纤传输实现以及性能分析

PAM-DMT是一种新的适用于光强度调制系统的OFDM调制方式。利用MATLAB与Optisystem 7.0构建仿真系统,实现了PAM-DMT强度调制直接检测单模光纤系统的传输;给出了不同光发射功率下,误码率与传输距离的关系;分析了当子载波数变化时,PAM-DMT与ACO-OFDM的误码率性能对比。结果表明,当子载波数较小时,PAM-DMT的性能要优于ACOOFDM;随着子载波数的增加,两者性能逐渐趋于一致;增加光发射功率能提高系统的最大传输距离,即当误码率为10-3,光发射功率分别取6 dBm、7 dBm以及8 dBm,系统的最大传输距离分别可达到480 km(6×80 km)、560 km(7×80 km)、640 km(8×80 km)。

基于单模-多模-单模光纤的钢筋腐蚀监测技术

提出了一种利用单模-多模-单模(SMS)光纤进行钢筋腐蚀监测的方法.首先,采用长度分别为2、3、4 cm的3组无芯光纤(NCF)作为多模光纤,制备单模-多模-单模(SMS)光纤传感器;然后,将贴有SMS光纤传感器的钢筋置于质量分数为3.5%的NaCl溶液中进行腐蚀,并用光谱仪实时监测钢筋腐蚀过程中SMS光纤光谱的变化,同时采用开路电位和线性极化阻抗测量钢筋腐蚀电位和腐蚀电流密度,计算钢筋累积腐蚀量.结果表明:钢筋腐蚀量与特征波长的偏移量呈3次函数关系,SMS光纤监测钢筋腐蚀的灵敏度随着多模光纤长度的增加而提高,且随着腐蚀时间的增加而先增大后减小.

高斯-谢尔脉冲在单模光纤中的传输特性研究

为了研究高斯-谢尔模型(GSM)脉冲在单模光纤中的传输特性,采用相干函数传播分析法推导出GSM脉冲经单模光纤传输后输出脉冲的时间相干函数解析表达式,在此基础上分析脉冲宽度、相干时间和功率谱等特征量的变化,并推导出在远端条件下单模光纤的时域广义范西特-泽尼克定理.结果表明,GSM脉冲在单模光纤中的传输存在功率谱和全局相干度两个守恒量,且二者是一致的.该研究结果对激光传输领域具有一定的理论和现实意义.

飞秒激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器微槽实验研究(特邀)

光纤温度传感器相较于传统光学功能器件具有损耗小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点,其中的光纤法布里-珀罗传感器更因其结构简单紧凑、稳定性好、易于制造受到广泛关注。光纤法布里-珀罗传感器功能结构的传统加工工艺存在工艺复杂、加工效率低下、热影响区严重等问题。光纤作为纤细透明的脆性材料,激光作为非接触的加工方式和微米尺度的聚焦光斑可以有效避免机械性破坏同时可以实现多样性的加工,已经广泛应用于光纤温度传感器的加工。目前,激光加工依然存在纤芯区域粗糙度高、平行度低、加工质量较差等难题。为了确保激光加工的法布里-珀罗腔能够满足传感性能要求,文中进行了飞秒激光加工法布里-珀罗腔的工艺实验研究,得到了不同激光参数、扫描路径对加工法布里-珀罗空气腔的影响规律,发现采用往复式扫描方式并在激光功率选用10 mW、扫描速度100μm/s、扫描间隔4μm、扫描分五次逐次向下进给5μm的工艺参数组合后,可以加工出两反射面接近平行(87.95°),侧壁光滑、面粗糙度稳定在2~4μm的良好形貌法布里-珀罗腔。加工了5种不同腔长的光纤中,腔长为80μm的传感器性能最优为21.07 pm/℃。将腔长为80μm的传感器封装在3种金属管中进行测试,结果证明激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器的质量得到了进一步优化,性能进一步提升。但不同的封装材料会较大影响传感器的探测效果,结果发现封装材料的热膨胀系数越大,温度传感器的响应特性越好。

人眼安全高重频窄脉宽单模全光纤激光器特性研究

介绍了基于主振荡功率放大结构的人眼安全全光纤激光器。首先对比了电光调制及直接调制产生的种子激光在百k Hz重复频率、纳秒级脉冲宽度的激光放大器中优缺点,综合系统需求选择直接调制方式;之后对窄脉冲单模放大中出现的脉冲分裂现象进行了研究,选用10μm纤芯的双包层铒镱共掺光纤,仅通过两级放大即获得了1 550 nm,重复频率为200 k Hz,脉冲宽度为4.07 ns,峰值功率为1.02 k W的单模激光输出。具有结构紧凑、稳定可靠的特点,可用于三维视频激光雷达。

单模与多模光纤级联型压力传感器

研制了一种基于单模光纤与多模光纤级联结构的马赫-曾德尔干涉型压力传感器,它通过将一段单模光纤夹熔在两段多模光纤之间制成.利用纤芯的不匹配所激发的单模光纤中纤芯模和包层模之间的干涉,使外界压力的变化直接作用于单模光纤内部光场,获得较高灵敏度.当传感器总长度为39mm时,可获得较为理想的传输谱线.压力传感实验表明：随着压力的增大,传输光谱向长波方向漂移,在2~16N的压力范围内,传感器的压力灵敏度为554.830pm/N,线性度为0.984,具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高等优点,可用于不同领域的压力传感.

光纤光栅法布里—珀罗腔的单模特性研究

分析了基于方向耦合器的光纤光栅法布里—珀罗腔的单模输出条件 ;在此条件下讨论了谐振腔的完全单模输出特性 。

单模光纤宏弯损耗的温度响应特性

为了实现光纤宏弯温度传感,对单模光纤宏弯损耗的温度响应特性进行了理论与实验研究.理论上对单模光纤宏弯损耗理论公式进行了温度修正.基于该公式模拟了波长、弯曲半径以及温度对纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗性能的影响.设计制作了一种带吸收层和镍保护层的单模光纤宏弯温度传感探头并进行了温度传感性能实验测试.结果表明:纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗对弯曲半径、波长和温度变化较为敏感,与温度之间的响应呈线性,该探头的温度分辨率为0.4℃;通过减小弯曲半径和提高光源波长,可进一步提高其温度灵敏度和分辨率.该结构光纤可近似看作纤芯-无限包层结构光纤,用于开发光纤宏弯温度传感器.

高灵敏度多模干涉-异质无芯光纤折射率传感器

基于多模干涉理论和自映像效应,设计了一种高灵敏度多模干涉-异质无芯(SNS)光纤折射率传感器。利用纤芯失配在包层激发的高阶模与无芯光纤中产生的基模耦合产生多模干涉来实现其对折射率的传感测量。应用波束传播法(BPM)数值模拟了传感器在不同折射率条件下光的透射谱,讨论了无芯光纤的长度及外部环境折射率等参数对传感器性能的影响。通过无芯光纤SNS结构传感器的样品制备,测试了多组不同浓度蔗糖溶液下的透射谱,实验结果与数值模拟结果一致。结果表明:在折射率1.330~1.419范围内,透射谷的波长灵敏度达到189nm/RIU,透射率灵敏度达到-40%/RIU。

基于双包层大模场光纤的Fabry-Perot应变传感器

提出了一种通过化学腐蚀对双包层大模场光纤进行加工,并结合放电熔接工艺制备光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器的方法。将尺寸为20/125μm的双包层大模场光纤端面切平后在浓度为40%氢氟酸中浸泡20 min使光纤端面形成凹槽,再与端面切平的HI-1060光纤进行熔接,在熔接点处形成气泡,构成全光纤F-P腔结构,反射谱波长周期为9 nm,条纹对比度达到9. 55 dB。采用等强度梁对传感器的应变特性进行测试与分析,在0~350με范围内分别进行加载与卸载实验,波长灵敏度大于2. 88 pm/με,线性度高于0. 99。

温度修正的单模光纤宏弯损耗特性理论分析

为了研究单模光纤宏弯损耗特性与温度变化的关系,文章根据Faustini L提出的理论公式进行了热光效应和热膨胀效应修正,基于该公式对温度影响下的纤芯—包层—无限涂覆层结构SMF28和1060XP单模光纤宏弯损耗分别进行了仿真分析,探究了温度、波长和弯曲半径等因素对单模光纤宏弯损耗特性的影响,并得到两种单模光纤与温度之间的线性拟合结果。研究结果表明,宏弯损耗随弯曲半径的减小而增大,随波长的增大而增大,随温度的升高而减小;当弯曲半径和波长一定时,宏弯损耗与温度之间具有单调性;增大弯曲圈数可有效增加其对温度的灵敏度。

光子晶体光纤Fabry-Perot结构温度传感特性研究

提出了一种将光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber,PCF)与单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)拼接而成的法布里-珀罗干涉(Fabry-Perot Interferometer,FPI)传感器,形成SMF-PCF-SMF结构,其中PCF为F-P腔。反射谱波长周期为2.18nm,条纹对比度达到13.12dB。研究了FPI传感器的温度响应,在50~400℃分别进行了升温和降温实验,波长灵敏度为12.3pm/℃,线性度大于0.993。该传感器具有交叉灵敏度低、温度稳定性好、线性度高等优点,可用于工业生产、航空航天、生物医学等温度传感领域。

基于对称光纤模式选择耦合器的多波长高阶横模光纤激光器

提出并实现了一种基于对称光纤模式选择耦合器和单模-少模-单模光纤滤波器的环形腔高阶横模光纤激光器,获得了多波长、高纯度的LP11模式激光输出。实验结果表明,该激光器可以稳定地工作在单波长、双波长、三波长和四波长状态,对应的LP11模式激光纯度分别为97.60%、97.54%、97.34%和97.19%。对称光纤模式选择耦合器制造工艺简单,性能稳定,为高阶横模光纤激光的获得提供了一种新的可选方案,在光通信、光传感等领域具有潜在的应用价值。

基于SMS-FBG结构的温度应变双参数传感特性研究

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器,并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5 mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间,构成SMS光纤干涉结构,并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明,在200~2000με应变范围内,单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22 pm/με,线性度分别达到0.9992和0.9994;在580~700℃温度范围内,其温度灵敏度分别为58.79和13.64 pm/℃,线性度分别达到0.9967和0.9982,可实现温度、应变双参数的同时测量。

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiberNo core fiber,SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1. 331 5依次增大至1. 390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197. 57 nm·RIU-1,相关系数为0. 93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62. 80 d B·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0. 96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31. 66 d B·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。