基于扭曲长周期光纤光栅的高灵敏度压力传感器

研究了高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅在扭曲状态下的横向负载特性.发现扭曲降低了光纤光栅谐振波长横向负载灵敏度的方向相关性,使得这种光栅在各圆周方向上谐振波长对横向负载都不敏感,而谐振峰幅度随横向负载的增加线性减小,且谐振峰幅度的负载灵敏度随扭曲率的增加而提高.在扭曲率为1 .8°mm-1时负载灵敏度可达0 .47 dB/(g.mm-1) ,是自由状态长周期光纤光栅横向负载灵敏度的7倍,最后给出了利用这种扭曲长周期光纤光栅通过强度解调实现压力传感的实验研究结果.

长周期保偏光纤光栅的偏振特性研究

用高频CO2激光脉冲写入法在熊猫保偏光纤上写入长周期光纤光栅,并对其偏振特性进行了全面的试验研究·试验结果表明,在输入椭圆偏振光偏振角度0到2π的变化范围内,高频CO2激光脉冲写入法在熊猫保偏光纤上写入的长周期光纤光栅谐振峰幅值会随着入射椭圆偏振光偏振角度的改变发生以π为周期的周期性变化,并且相邻两谐振峰幅值变化趋势相反,相位差为π.在相同偏振角度下将两谐振峰幅值相减,其差值呈近似于锯齿波的周期性变化,周期也为π·在没有发生模式干扰的情况下,谐振峰波长几乎没有发生漂移·基于模式耦合理论,文中还对所观察到的试验现象进行了定性的理论解释·

基于长周期光纤光栅的动态轴向应变传感器

基于高频CO2激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅(LPFG)独特的弯曲特性,提出了一种新的动态轴向应变传感器设计方法。该方法利用新型LPFG向特定方向弯曲时,谐振峰幅值与波长随光栅弯曲率的改变而灵敏地发生线性改变的特性,将动态轴向应变转化为LPFG弯曲曲率的动态改变进行测量。理论和实验表明:系统最后探测到的交流电压随轴向应变的增加而增大,应变灵敏度可达57.56mV/10-6。在施加频率为300 Hz、其值为0.69×10-6的动态轴向应变时,分辨力可达1.6×10-9/H z,信噪比可达61 dB。该方法可用于制作操作简单、分辨力高,成本低廉的动态轴向应变传感器。

两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性

介绍了光纤光栅（FBG，Fiber Bragg Gratings）温度传感器的两种封装形式。推导了两种FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证。实验研究了两种FBG温度传感器在-70～0℃的中心波长低温变化特性，比较了相同条件下两种FBG温度传感器的实验结果。结果表明：细不锈钢管封装的FBG温度传感器的中心波长在-60℃时发生了突变，急剧下降；而镀金FBG温度传感器的中心波长在-70～0℃随温度线性变化，重复性较好并且几乎没有迟滞现象。两种传感器在线性变化区间的温度灵敏系数KT分别为28．2pm／℃和21．3pm／℃，分别是裸光纤布拉格光栅的3倍和2．3倍，它们的线性拟合度都超过0．999。

大范围光纤Bragg光栅压力传感器增敏实验研究

鉴于钛合金材料具有低弹性模量、受温度影响小等特性，设计制作了一种以钛合金管作为光纤Bragg光栅应变增敏衬底元件的高压压力传感器件．通过与电阻应变计实时监控的对比，从实验上研究了光纤Bragg光栅的中心波长偏移对调谐压强的响应．结果表明：这种增敏设计，具有良好的线性响应和可重复性，且与理论推导结果吻合较好．增敏后对压力的响应灵敏度可达0．034nm／MPa，测压量程可达0～40MPa，甚至更宽．

一种新颖的温度压强同时区分测量的光纤Bragg光栅传感器

提出了一种新颖的基于小位移平面膜片的温度压强同时区分测量的光纤Bragg光栅传感器.该传感器中的光纤Bragg光栅沿径向粘贴于膜片上.光纤光栅中心波长和峰值波长的温度响应灵敏度近似相等,与所加压力无关;压强灵敏度因膜片上所产生的非均匀应变而不同,且与温度无关.通过测量中心波长和峰值波长,实现了单根光栅对温度压强的同时区分测量.从理论和实验上给出了温度、压强响应与峰值波长、中心波长之间的关系式.在30～120℃温度范围和0～6MPa压强范围内,用此传感器测得的温度值和压强值与用温度计测得的温度值和用压力表测得的压强值之间的偏差分别不大于2℃和0.2MPa,此偏差大小与仪表最小分度值2℃和0.1MPa很接近,表明该传感器具有很好的温度、压强响应特性.

级联双折射光纤环镜滤波特性的分析

从理论上研究了级联双折射光纤环镜滤波器的滤波特性,给出加隔离器与不加隔离器两种不同结构的串联双环镜滤波器透射光强的表达式,并对于两个环镜取不同的周期比时的滤波特性进行了数值模拟和分析.得出串联环镜滤波效果与级联顺序无关,光隔离器对滤波效果不会产生影响,只是增加了插入损耗.通过级联和改变两个环镜的双折射光纤长度比,可以获得不同的滤波效果.最后给出了多个环镜直接级联后透射光强的通项表达式,通过对通项式的理论分析可以设计不同的滤波器.

椭圆形高折射率芯Bragg光纤的偏振和色散特性

应用全矢量有限元方法,分析了椭圆形高折射率芯Bragg光纤的偏振和色散特性,详细讨论了光纤结构参量对模式双折射的影响,结果发现:椭圆形高折射率芯Bragg光纤的模式双折射在10-3量级,比传统保偏光纤高出一个量级,且随波长的增加而单调递增;模式双折射随包层低折射率材料填充比的增加而减小,但与包层周期的变化几乎无关.此外,提高椭圆率或材料间的折射率比可显著增强模式双折射.研究结果有助于设计高性能的一维微结构保偏光纤.

波登管式光纤布拉格光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型，提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计，推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明，压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0．2246nm／MPa、0．2218nm／MPa，在0～6MPa测压范围内，调谐范围为1．35n／n．

基于平面膜片温度压强同时测量的光纤光栅传感器

提出一种基于膜片的双光纤Bragg光栅实现温度与压强同时区分测量的光纤光栅传感器.分别将光纤Bragg光栅沿膜片的径向和环向粘贴在膜片上,当温度发生变化或者膜片受到压力作用时,都会引起光纤Bragg光栅峰值波长偏移.由于温度的变化所引起的两栅波长偏移量是相等的,此时两光纤Bragg光栅波长偏移量之差完全取决于膜片所受的压强,据此可以实现温度与压强的同时区分测量.该传感器线性度很好,可以用来同时区分测量温度在40～110℃,压强在0～6MPa环境中的温度和压强,其温度测量误差不大于1℃,压强测量误差不大于0 2MPa.

窄间隙条件下基于光纤Bragg光栅的曲面位移测量

在充分利用光纤Bragg光栅既是敏感元件又是传光元件这一特点的基础上,提出一种在曲面空间间隙小于1 mm的窄间隙条件下,测量两曲面间相对位移的方法。设计一种矩形弹片式传感探头,利用其挠度与应变之间存在的对应关系,通过应变对光栅Bragg波长的调制,获得光栅Bragg波长偏移量与曲面位移之间的线性关系。通过双光纤光栅的应变差动成功消除了光纤Bragg光栅存在的温度干扰问题。结果表明,当曲面相对位移量在0.35～0.85 mm范围内时,测量系统的灵敏度达2.54 nm/mm,线性度优于1%。

裸光纤光栅及其封装后的低温特性

设计了一种基于不锈钢管的小尺寸光纤光栅（FBG）温度传感器：推导了裸FBG以及不锈钢管封装的FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证；实验研究了-70～0℃之间的裸FBG和其封装后FBG温度传感器中心波长的低温变化特性。比较了相同条件下裸光纤光栅（FBG）和不锈钢管封装的FBG温度传感器的实验结果。分析了-60℃和0℃时FBG温度传感器透射光谱图同时对波长与温度的关系曲线进行了线性拟合并得到它们在线性变化区间的温度灵敏系数KT分别为10．1pm／℃和21．3pm／℃.

光纤布喇格光栅应力增敏理论研究

提出了一种光纤布喇格光栅应力增敏的模型,推导了该模型的应力与光纤布喇格光栅中心波长相对偏移量之间的关系,以及增敏后的光纤布喇格光栅应力响应灵敏度系数的表达式,给出了该增敏模型的弹性模量计算公式,指出通过适当选择弹性体的弹性模量和尺寸,可以提高光纤布喇格光栅应力响应灵敏度。

单模锥形光纤锥区光场及超短脉冲的传输特性

根据光波导理论,采用数值方法分析了单模锥形光纤锥区传输常数和光场分布的变化情况.采用分步傅里叶法数值求解广义的非线性薛定谔方程,对超短脉冲在锥区的传输演化进行了研究.结果表明:传输常数沿拉锥方向缓慢减小,在拉锥末端迅速减小;在拉锥初始阶段,能量主要集中在纤芯中,"转换点"之后能量在纤芯和包层中重新分布,光强在拉锥末端变强;脉宽小于80fs的超短脉冲沿锥区传输时,沿拉锥方向,脉冲不断展宽,而当脉宽大于80fs时,脉冲展宽不明显.

光纤MEMS法布里-珀罗压力传感器的准分布式测量

提出了一种基于傅立叶解调法的空分复用系统,实现了光纤微机电系统(M icroE lectroM echan ical System,MEMS)法-珀(FP)压力传感器的准分布式测量.传感器基于FP腔干涉的原理,采用MEMS技术加工制作,用傅立叶方法解调干涉信号,用光开关实现传感器复用.理论分析与实验验证了传感器解调和复用的基本原理.结果表明,该系统具有好的线性、灵敏度、精度和重复性,响应速度快,复用的传感器间无明显串扰,系统复用能力取决于光开关的通道数.

微结构聚合物光纤套管法拉丝工艺

通过对微结构聚合物光纤拉丝工艺的研究,提出微结构聚合物光纤二次预制棒套管拉丝技术。为了降低光纤拉伸过程中微孔坍塌率,从光纤拉伸力和材料表面张力之间平衡的角度考虑,对拉丝炉中热区温度和长度进行控制,得到了预制棒拉丝炉和光纤拉丝炉中热区温度分布曲线。最后,通过对本体聚合法制备的椭圆芯六角对称微结构聚合物光纤预制棒的拉丝实践,得到了微孔坍塌率低于6.5%,光纤直径接近250μm,微孔直径接近3.5μm,且微孔结构均匀的高双折射微结构聚合物光纤。

矩形点阵微结构聚合物光纤偏振特性研究

采用全矢量平面波方法,以聚合物为基材,研究了矩形点阵微结构聚合物光纤的传输模场和偏振性质.结果发现,矩形点阵微结构聚合物光纤基模两个正交偏振态不再简并,模场呈现类矩形且具有较强的线偏振特性;该光纤模式双折射产生于包层孔结构分布的不对称性,减小包层纵向孔间隔和横向孔间隔之比η值,双折射明显增强,适当调节η,可在更宽频带范围内实现高双折射单模运行.

通体均匀发光光纤的研究与设计

提出了一种侧面散射光光强均匀分布,能量利用合理,制备和安装成本低廉的通体发光光纤及其制备方法。在该光纤中散射体以不同的密度和深度分布在芯层和包层界面处的芯层内。当有传导光在光纤中传输时,部分传导光就会被散射体从光纤的侧面均匀地散射到光纤外。光纤侧面散射光强的均匀性是通过改变光纤不同位置处的衰减系数来实现的,而衰减系数的改变又是通过改变光纤不同位置处散射体的密度和深度来实现的。在建立数学模型的基础上,通过解微分方程,可以推导得出通体均匀发光光纤中衰减系数与传导光传播距离的变化关系公式。此外还提出了一种测定衰减系数与散射体密度以及深度关系的实验方法。这些研究分析为设计制造通体均匀发光光纤提供了思路和理论依据。

单偏振单模微结构聚合物光纤理论设计

采用全矢量有限元法并结合完美匹配边界条件,得到了一种新型结构的单偏振单模微结构光纤,以聚合物聚甲基丙烯酸甲酯为基材,对其偏振模场、快轴模和慢轴模截至波长和约束损耗进行了研究.结果发现,通过改变光纤结构参量,可以使光纤基模两个正交偏振态截止波长不同,光纤中只能传输基模的一个偏振态(慢轴模).若调整光纤单偏振单模工作区在聚合物光纤通信窗口650nm附近,该光纤传输慢轴模的约束损耗低于0.05dB/m.

椭圆芯扁六角聚合物光子晶体光纤的偏振特性

采用全矢量定域基函数模型,以聚合物PMMA为基材,研究了椭圆芯三角点阵扁六角结构光子晶体光纤(Photonic crystal fibers,PCFs)的偏振特性,分析了其相位模双折射和群模双折射与相对孔间隔比的依赖关系,并与椭圆芯三角点阵正六角结构PCFs的研究结论进行比较;研究发现,椭圆芯扁六角结构PCF的偏振特性强烈的依赖于光纤的结构参数,由于色度色散的存在,在短波长段,群双折射远远高于相位模双折射,通过适当调节光纤的相对孔径和相对孔间隔比,有望在给定波长实现高双折射和零偏振模色散单模运行．该研究为高双折射聚合物光子晶体保偏光纤的制备提供了理论依据．