基于双峰谐振长周期光纤光栅的海水盐度传感器

为研制高灵敏海水盐度传感器,本文基于CO_(2)激光技术成功制备出一种工作在色散转折点(DTP)附近的长周期光纤光栅(LPFG)。首先,利用CO_(2)激光器在80μm细单模光纤上制备出工作在DTP附近的LPFG,证明了采用CO_(2)激光微加工技术制备较短周期LPFG的可能性。其次,通过调控CO_(2)激光器的制备周期,使高阶包层模式LP_(1,9)工作在DTP附近,从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。在双峰谐振增敏效应的作用下,当海水盐度从5.001‰变化到39.996‰时,光栅周期为115.4μm的双峰谐振LPFG平均灵敏度高达0.279 nm/‰。研究结果表明,本文制备的LPFG海水盐度传感器具有谐振损耗大和灵敏度高的优点,其在海水盐度监测领域具有较好的应用前景。

基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

[目的]针对光纤位移传感器动态范围窄的问题,设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅(LPFG)位移传感器。[方法]采用RSOFT软件进行仿真与优化,得到光纤在不同曲率下的光谱形态,以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅(MMF-BLPFG),提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础,制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。[结果]通过测量2个谐振峰的漂移,实现了36 mm的最大位移测量范围。[结论]该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。

结构调制型长周期光纤光栅温度传感器研究

燃油系统的温度监测对于飞行器的安全、性能和可靠性至关重要。本文提出并测试了一种基于激光蚀刻法在保偏光纤上制备的长周期光纤光栅温度传感器,有望用于飞机内部液体温度监测。通过解调该种光纤光栅谐振峰的波长变化,可以实现对环境温度的精准测量。试验结果表明,该传感器具有83.1pm/℃的温度灵敏度和0.32 pm/με的低应变响应。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰,不易产生电火花等特性,在替代电学传感器使用时可以提升飞行器的安全性。

基于级联长周期光纤光栅的透明液体浓度测量

利用级联长周期光纤光栅进行透明液体浓度测量。将光栅充分浸没在液体槽中,通过向液体槽内注入不同浓度的溶液研究液体浓度对级联光纤光栅谐振波的影响。结果表明谐振波偏移量与溶液浓度之间存在线性关系。因此,通过谐振波偏移量,能够计算液体未知浓度。从而实现了液体浓度的测量。该实验操作简单,测量方便,适合在近代物理实验教学中推广应用。

长周期光纤光栅(LPFGs)的谱结构研究

利用相位匹配条件,从理论和实验上研究了均匀LPFGs的谱结构特点结果表明,导模和不同包层模耦合产生的光谱特性有很大差别在模序较小时,谱宽较小;模序增加,谱宽也增加;在某一模序附近,谱宽达到最大;以后随模序增加,谱宽迅速减小给出了LPFGs中透射谱的最大损耗率及3dB带宽与包层模序、光栅周期、耦合系数和栅长的关系这些关系对设计满足特定最大损耗率和带宽的带阻滤波器或增益均衡器提供一种理论参考选用不同的包层模、耦合系数和栅长。

长周期光纤光栅单损耗峰实现轴向应变和温度双参量传感

由于长周期光纤光栅进行传感时存在温度交叉敏感的问题,因此,提出了一种长周期光纤光栅单损耗峰实现温度与轴向应变双参量同时传感的方案。实验制备长周期光纤光栅并分析光栅损耗峰随温度和轴向应变变化的特性:温度导致光栅中心波长漂移,温度灵敏度为90 pm/℃,但是对强度几乎没有影响;轴向应变主要影响光栅的强度,轴向应变灵敏度为12 dB/mε,对中心波长影响较小。实验结果表明,利用长周期光纤光栅单损耗峰从波长漂移和强度变化两个维度进行分析,可以实现温度、轴向应变的双参量同时传感。该方案结构简单,迟滞、重复特性好,具有一定的实际应用价值。

应用镀膜长周期光纤光栅对煤矿用乳化液浓度检测的研究

通过对镀膜长周期光纤光栅折射率特性的分析,发现镀膜可以有效提高长周期光纤光栅的折射率灵敏度。并且耦合的包层模式次数越高,镀膜后的折射率灵敏度比没有镀膜前增加越多,对应的谐振波长的漂移也越多。基于镀膜长周期光纤光栅折射率特性的这一特点,提出应用较短周期镀膜长周期光纤光栅对乳化液浓度进行检测的方案,对这一方案进行了数值分析。

薄膜参数对镀膜长周期光纤光栅透射谱的影响

基于四层光纤模型,采用数值模拟方法,研究了镀膜长周期光纤光栅的膜层折射率及厚度等参数对其传输谱特性的影响。结果表明,随膜厚增加,各包层模式有效折射率增大,谐振波长向短波区漂移。当膜厚达到一定数值后,有效折射率及谐振波长急剧变化,长周期光纤光栅频谱出现模式转换现象,模式跳变转折点对应最优薄膜厚度,不同薄膜介质对应不同的最优膜厚,研究对提高长周期光纤光栅传感器的敏感度具有重要的指导意义。

镀膜长周期光纤光栅双峰谐振折射率传感特性

基于严格的相位匹配公式,在充分考虑材料色散的基础上,详细研究了镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振效应。研究发现,随着环境折射率的变化,发生谐振的双峰也发生变化,且变化趋势相反。给出了镀膜长周期光纤光栅双峰谐振波长之间的距离随环境折射率变化的关系,并与普通长周期光纤光栅的同等情形进行了比较,发现镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振能够极大提高长周期光纤光栅的折射率灵敏度。但由于发生双峰谐振需要的包层模式次数较高,故其探测范围比应用低次耦合的单峰探测范围要窄。

离轴螺旋长周期光纤光栅特性研究

本文研究一种具有大恒温区的新型四电极电弧放电装置,用于制备高质量离轴螺旋长周期光纤光栅.较大的恒温加热区更利于释放光纤应力,使得光纤器件的离轴量小.为了确定高质量离轴螺旋长周期光纤光栅的关键参数,借助于光束传播法研究单模光纤在不同耦合长度、螺距、纤芯折射率、包层折射率、纤芯直径、包层直径、离轴量条件下对螺旋长周期光纤光栅透射光谱的影响.由于传统方法难以对微小离轴量的螺旋长周期光纤光栅进行离轴量测量,采用光谱对比反推离轴量的方法对螺旋器件的离轴量做出估计.根据理论计算获得的透射光谱与实际光谱的对比,得到螺旋光纤离轴量的估值分别为0.12,0.13和0.16μm.最后,对所研装置制备的离轴螺旋长周期光纤光栅的抗扭转性能及光栅制备的重复性进行实验,实验表明,制备的光栅有一定的抗扭转性及较好的光谱重复性.

级联长周期光纤光栅梳状滤波器的设计

为了灵活扩大通信容量,设计了一种级联长周期光纤光栅(cascade long period fiber grating,CLPFG)结构的光纤梳状滤波器,并对其进行了系统的理论研究,重点讨论了光栅周期、光栅长度、间隔光纤长度和光栅段数等级联光栅参量对梳状滤波特性的影响.结果表明:间隔光纤长度和光栅段数能够有效调谐信道3 dB带宽和信道间隔;通过优化设计,可以实现对称性和非对称性梳状滤波器的设计.这种梳状滤波器具有结构紧凑、工作带宽大、信道带宽及设计灵活等优点.

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。

基于长周期光纤光栅的光纤液位传感器

为了测量液位在警戒值附近变化的情况,采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器,对传感器进行了理论分析,搭建了液位传感实验系统,根据传感器对外界环境的折射率灵敏度,测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明,在0 mm~12 mm的液位测量范围内,光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确,且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题,同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。

长周期光纤光栅的级联光谱特性研究

基于耦合模理论利用传输矩阵法研究级联长周期光纤光栅(Cascaded Long Period Fiber Gratings, CLPG)的光谱特性。结果表明:选用两个参数相近的长周期光纤光栅(Long Period Fiber Gratings, LPG)级联可以获得更明显的透射谱。周期的增加导致损耗峰向长波方向线性漂移,可据此实现对特定波长的损耗。长度和折射率调制深度主要影响损耗峰深度,可以用于调控损耗峰出现极深值点。得到当两个级联LPG的周期为500 μm、长度为3 cm,折射率调制深度为0.00014时存在窄而深的最优CLPG损耗峰。该研究结论为分析级联长周期光纤光栅理论和改进传感器件设计应用提供了依据。

两层镀膜长周期光纤光栅传感器的特性研究

以光纤光栅耦合模理论为基础,提出一种两层镀膜长周期光纤光栅传感器的结构模型,一层是在光纤包层外镀的铜金属薄膜,另一层是在铜薄膜外再镀一层敏感薄膜。对该结构模型的模场特性和透射特性进行分析和模拟,明确了薄膜参数对其透射特性的影响。该结构模型既可以利用敏感膜折射率随外界环境变化而改变的特性,也可以利用金属膜层进行温度和应变调节来改变谐振波长的特点,为高灵敏度长周期光纤光栅传感器的优化设计提供了理论依据。

基于覆膜锥形长周期光纤光栅的高灵敏度海水盐度传感器研究

文章提出了一种基于包覆TiO_(2)纳米薄膜锥形长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG)的高灵敏度海水盐度传感器。通过将多种增敏方案,包括调节LPFG的工作点位于转换点附近、倏逝场增强和模式转变效应有效结合,显著提高了传感器在海水盐度典型变化范围(0.5~0.8 M)对应的环境折射率变化(1.339~1.342)区间内的灵敏度。利用四层圆柱形波导模型,采用矢量模分析法计算了传感器的优化参数。利用原子层沉积技术,将TiO_(2)纳米薄膜包覆在锥形光纤上制备的LPFG表面。实验结果表明:LPFG的HE1,12模式的环境折射率灵敏度超过1×10^(4)nm/RIU,盐度灵敏度超过110 nm/M,线性度达到0.998。实验结果与理论计算吻合较好。

长周期光纤光栅应变监测信号解调方法研究

为确保获取到的长周期光纤光栅应变监测信号具备更高精度,便于对监测信号分析和处理,需开展对其信号解调方法的设计研究。将AWG(阵列波导光栅)技术应用到解调中,提取光纤光栅应变信号通道,并实现曲线拟合;根据拟合结果,重构长周期光纤光栅波谷光谱曲线;考虑到环境中的温度因素对信号造成的干扰,构建应变交叉敏感融合算法模型,并完成对信号解调补偿。通过实例证明,该解调方法在实际应用中可以有效降低解调误差,并实现对信号时域波形的等比例放大,为监测信号获取提供便利的同时,将信号中的重要数据信息保留,保证了监测信号的高效利用。

镀膜长周期光纤光栅透射谱研究

基于三包层长周期光纤光栅的耦合模型,研究了镀膜长周期光纤光栅的光栅参数和膜层厚度对长周期光纤光栅谐振波长的影响。研究发现,当长周期光纤光栅的纤芯半径、折射率和周期增大时,谐振波向长波方向漂移;当长周期光纤光栅的包层半径和折射率增大时,谐振波向短波方向漂移。不同折射率的膜层介质其所对应的最优厚度(Optimum Overlay Thickness,OOT)不同,薄膜介质的折射率越高,对应的最优厚度越小,敏感区域范围也较窄;不同包层模式对应的最优厚度具体位置区别不大,较高阶次包层模对应的谐振波长在敏感区域范围内漂移量较大。

长周期光纤光栅温度传感器应变交叉敏感的研究

长周期光纤光栅是透射谱光栅,纤芯基模与同向各阶包层模发生耦合,谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感,比传统布拉格光纤光栅具有更好的温度、应力、弯曲、扭曲、横向载荷、折射率等的传感特性。由于长周期光纤光栅对两个或者多个参量都是敏感的,当光纤光栅用于传感测量时,很难分辨出各个参量分别引起的被测量的变化,交叉敏感问题比布拉格光纤光栅严重的多。交叉敏感是光纤光栅传感中的关键问题。分析了目前较为典型的解决策略和方案,在此基础上提出了联系的思想和解决方案,提出并实验验证了一种解决长周期光纤光栅温度传感测量中应力与温度的交叉敏感问题。充分利用了LPFG温度与应变交叉敏感的现象,利用联系的思想,将应变对温度的负面干扰转变为正面的增敏。

热光系数与长周期光纤光栅的温度灵敏度研究

利用受温度影响的光纤的本征方程和相位匹配条件,从理论上研究了长周期光纤光栅(LPFGs)的温度响应特性,给出了LPFGs的温度灵敏度的解析表达式。对利用低模序包层模的LPFG进行了实验研究。结果表明,利用不同包层模的LPFGs具有不同的温度灵敏度。分析了光纤的材料热光系数和模的热光系数的差别。单模光纤导模的热光系数接近纤芯的材料热光系数,而包层模的热光系数比包层的材料热光系数大,模序越大,其值越大。适当调整纤芯和包层的热光系数,并选用不同的包层模,可以得到对温度灵敏或不灵敏的LPFGs。