基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器设计

电流互感器作为一次侧电流的常用计量设备之一,它在电力系统的交流电测量、继电保护、电力设备检修控制等相关领域均具有十分重要的地位。针对传统电流互感器存在的线性度低、抗干扰能力差及精度低等问题,尤其在工频小电流精确测量这一难题方面更是捉襟见肘。鉴于此,本文提出一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器。该互感器利用电流经过电阻所产生的焦耳热改变光纤中的光信号特征,从而引起马赫-曾德干涉仪的输出信号变化,然后通过光电探测器完成对干涉仪的光信号捕捉,并将其转换为电信号输出,完成工频小电流检测。结构上通过采用PCB型罗氏线圈作为感应取电装置,并利用MATLAB完成其动态响应分析。另外针对信号采集、传输、处理过程中所出现的噪声信号,设计了基于FPGA技术的信号处理系统,以提高信噪比。最后通过实验对工频小电流进行测量,线性度为0.9961,检测精度可达到0.14%。实验结果表明提出的光纤电流互感器相较于传统光学电流互感器相比,具有更高的线性度和测量精度,为基于热效应的电流互感器发展提供了新的思路,也为工频小电流的测量提供了一种新的方法。

光纤锥在线型马赫-曾德干涉仪的折射率传感特性

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫-曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥,光纤锥的直径为43.7μm,长度为480μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器,激发出光纤高阶模,并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差,将导致干涉仪的传输光谱发生漂移,从而实现传感测量.实验结果表明：当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时,传感器的折射率灵敏度为-128.233nm/RIU;当水溶液的温度变化范围为30~75℃时,传感器的温度灵敏度为0.111nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点,可应用于生物传感测量.

基于改进型马赫-曾德干涉仪原理的管道安全预警系统研究

提出了一种采用5根光纤纤芯构成的改进型双Mach-Zehnder干涉仪原理的的分布式光纤管道安全预警系统,系统利用管道同沟铺设的通讯光缆,采集管道沿线的微震动信号,系统使用3×3耦合器得到两路相位差信号,解调外界扰动造成的相位变化,得到两个强相关的信号,使用顺反两个方向光信号经过扰动点的时间差定位扰动点的位置,提高了系统的保护距离和定位精度。

基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪的研究

研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪,进行了液位和曲率的测量实验,利用错位结构将纤芯模式激发到包层,包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。包层模式对外界物理量如折射率、应力的变化敏感,导致透射光谱漂移。波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系,利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。在液位实验中,在水位变化范围为1.00~5.00cm时,波谷向短波方向漂移,灵敏度最高为-0.68nm·cm^(-1),线性拟合度为0.995 4。在曲率实验中,曲率的变化范围为0.3~1.2 m^(-1)时,波谷向长波方向漂移,灵敏度最高为22.47nm·m,线性拟合度为0.986 4,表现出较高的灵敏度。错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪,用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接,结构和制作方法简单,灵敏度高,尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究

为进一步促进光学电流互感器(OCT)在电力系统中应用,将光纤传感技术与磁致伸缩材料相结合,提出了一种新型的OCT的设计方法。将干涉仪的两个臂分别沿平行于磁场方向和垂置与磁场方向回环粘贴在正方形磁致伸缩材料的两个表面上,确保光纤均匀、对称分布,上下表面上光纤正交排列、匝数相同,形成双臂对称型的马赫-曾德干涉仪,得到了一定的温度补偿,消除了磁致伸缩材料热膨胀带来的测量影响,测量误差为0.65%,表明了该结构能达到温度补偿的效果,在一定程度上解决了阻碍OCT实用化进程的测量温漂问题。

光纤马赫-曾德干涉仪在自发布里渊散射测量中的应用

从理论上详细分析了全光纤马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪的光学滤波原理,将所研制的全光纤单通马赫-曾德干涉仪应用于自发布里渊散射测量中,初步实现了色散位移光纤中自发布里渊散射与瑞利散射的有效分离及自发布里渊散射谱的测量。

基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪

傅里叶变换光谱仪现已广泛应用于红外光谱学领域,它也是较为适合对大气温度、湿度、风场以及大气成分进行天基垂直探测的一种遥感仪器。提出了一种基于马赫-曾德干涉仪的傅里叶变换光谱仪。马赫-曾德干涉仪的一组反射镜作匀速直线运动,线性改变两个光学臂之间的光程差,然后平衡探测器对两路干涉信号进行差分检测。通过对光程差线性变化的电信号进行傅里叶变换,可以获得输入光的光谱分布曲线。与迈克尔逊干涉仪相比,马赫-曾德干涉仪在同样光通量输入条件下得到的干涉信号更强,且由非相干强度带来的噪声更小。该结果对于卫星遥感来说十分有利。

马赫-曾德干涉仪观测光写入平面光子晶格折射率调制度的实验研究

研究了用搭建的马赫-曾德干涉仪光路和LBA-PC模式分析仪组成的观测系统,对掺铁铌酸锂晶体光写入平面光子晶格折射率调制度的分布进行观测的方法。利用CCD记录下晶体在平面光子晶格写入前后的像面投影图和全息干涉图,通过模式分析仪再现出其反映平面光子晶格折射率调制度分布的相位图信息,进而测出条纹变化量和条纹间距,从而实现对掺铁铌酸锂晶体光写入平面光子晶格折射率调制度分布的实验观察并测量。

温度和振动对光纤马赫-曾德干涉仪的影响与动态补偿研究

环境温度变化和振动会引起光纤马赫-曾德干涉仪两臂相差随机性变化,致使干涉仪输出不稳定.本文研究了自然条件下外界温度和振动对基于3×3耦合器干涉仪的影响,分析结果表明,温度和振动所引起的干扰主要集中于100Hz以下的低频成分中.为了消除这些干扰,设计了单臂补偿的反馈回路以稳定输出信号,并提出了一种利用象限判决方法来区分反馈正负性的动态补偿方法.实验中利用3×3耦合器3个输出端中其中2个进行光电变换、差分放大等反馈电路后驱动管状压电陶瓷,使缠绕在其上的光纤伸缩,动态补偿干涉仪相差的漂移,稳定干涉仪输出即3×3耦合器第三输出端口的信号.针对自然环境下温度和振动引起的干扰,本文研制了一种稳定的动态补偿装置,能有效抑制160Hz以下的低频干扰,实时补偿干涉仪两臂的相差漂移,干涉仪输出稳定的干涉信号,波动幅度小于5.64%.

基于铌酸锂光子线的马赫-曾德干涉仪调制器

设计一种基于铌酸锂(LiNbO3,LN)的马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪光电调制器。采用基于有限元法的电磁仿真软件对该器件进行优化和特性的仿真分析,得到了结构尺寸紧凑、输出调制光透射率随外加输入电压在较大范围呈线性变化,以及在工作波长变化较大的范围内具有较稳定透射率的设计结果。

基于银纳米链的马赫-曾德干涉仪结构的生物传感器

优化了一种基于表面等离激元银纳米链的马赫-曾德干涉式传感结构.该结构由参考臂、传感臂及纳米线波导构成.纳米线波导由银纳米线包裹一定厚度的硅来构成.引入两条银纳米链分别作为马赫-曾德干涉仪的参考臂和传感臂,并研究所设计结构的传输特性,通过降低传输损耗以提高所设计结构的精确度与灵敏度.相比于两条完全相同的银纳米线作为参考臂和传感臂的情况,在参考臂和传感臂改为银纳米链后,传输特性有明显提高,单位长度损耗明显降低.这是由于银纳米链中的单元结构之间的长程/库仑相互作用增强了结构中的电磁场,进而降低了传输损耗.将两条银纳米链的晶格常数设置为不同的情况,研究发现,在特定的银包硅纳米线的宽度与某些占空比下,含有非对称的银纳米链结构的单位传输损耗小于含有对称的银纳米链结构.由此可以知道,具有小损耗的银纳米颗粒链可以弥补大损耗的银纳米颗粒链的传输损失.利用这个特点,进一步优化设计结构,将一侧银纳米链改为纳米线.改变另一侧银纳米链的晶格常数与占空比,可以发现大多数情况下,这类结构传输特性优于含有两条银纳米链以及含有两条银纳米线的结构.本文的设计结构可以大幅减小传统的马赫-曾德干涉仪的传输损耗,且在结构的制备过程中容错率高,在实际应用中有巨大的潜在应用价值.

基于电光晶体马赫-曾德干涉仪的载波包络偏移频率调节方法

基于电光晶体马赫-曾德(M-Z)干涉仪的载波包络相位偏移频率(carrier-envelop offset frequency,f_(0))调节方法是一种新颖的f_(0)调节方法.该方法通过改变脉冲包络而不改变载波频率实现对f_(0)信号的调节.本文对该方法所涉及的偏振控制装置进行了仿真,分析了其中波片光轴偏差对输出激光偏振方向和偏振度的影响.在实验上提出了一种光轴校准方法以减小波片光轴偏差带来的影响,并对比了抽运电流调节方法和基于电光晶体M-Z干涉仪的f_(0)调节方法对f_(0)信号和光梳与激光拍频信号(beat note,f_(b))的影响.实验结果表明改变抽运电流,在f_(0)调节量为9 MHz的情况下,对f_(b)影响为7 MHz.而在相同f_(0)调节量下,电光晶体M-Z干涉仪f_(0)调节方法对f_(b)的影响为0.2 MHz,仅为抽运电流对f_(b)影响的1/35,从而验证了基于电光晶体M-Z干涉仪的f_(0)调节方法可以有效降低对f_(b)的干扰,为利用f_(b)锁定重复频率(repetition rate,f_(r)),进而实现光梳梳齿线宽的压窄提供了一种技术手段.

基于飞秒激光刻写的微腔型波导马赫-曾德干涉器及其折射率传感性能研究

平面光波导传感器相较于传统的光纤传感器结构,具有更好的机械性能,并且对于振动等因素具有更低的交叉响应,因此在光传感领域具有独特优势。在本研究中,我们利用飞秒激光刻写及激光辅助化学刻蚀技术,在石英玻璃中制备了微腔型波导传感器结构,该结构由对称的分支型波导马赫-曾德干涉器及在其中一路上所制备的光学微腔构成。当待测液体浸入微腔时,传感器呈现明显的干涉峰漂移,其折射率灵敏度在1.35折射率附近达到了约16311.8 nm/RIU,因此在高灵敏度的波导液体传感及生化传感领域展现出了显著的应用潜力。

透镜与相位板在马赫-曾德涡旋光干涉中的影响分析

马赫-曾德干涉仪是产生干涉光与涡旋光的重要器件。为形象展示干涉图样并分析相位板与聚焦透镜对光场性能的影响,应用Virtual Lab软件进行模拟分析,在光路中分别加入不同数量的竖直条纹相位板与径向螺旋相位板,并通过聚焦透镜对干涉光相位进行调节。结果表明,在引入竖直条纹相位板后,相位板数量越多,干涉条纹间距越大,聚焦透镜可以将条纹相位分布转换为圆环相位分布。在引入一块拓扑荷值l=10的螺旋相位板后,干涉条纹成为树杈型场分布和相位分布。在此基础上,引入第2块相位板,干涉图样成为涡旋干涉场,经透镜聚焦,干涉场相位分布均为涡旋状。

高灵敏度液封光纤马赫-曾德干涉仪温度传感器

提出一种结构简单且灵敏度高的液体封装结构光纤马赫-曾德干涉仪（MZI）温度传感器,并对其折射率和温度响应特性进行了理论分析和实验研究。3段单模光纤（SMF）采用锥腰扩大熔接技术顺次熔接构成同轴式光纤MZI,结果表明MZI对环境折射率非常敏感；然后,将MZI封装在充满Cargille液体的毛细管中,结果表明液封后的MZI在测试温度范围内（10～40℃）的灵敏度约150pm/℃,较之封装前提高了1倍,且远高于大多数的光纤光栅和其它光纤干涉仪型温度传感器。本文MZI温度传感器还具有良好的物理强度和易于制备等优点,在环境监测和食品工业等领域具有良好的应用前景。

一种基于马赫-曾德干涉仪的全光纤传感器双参数测量技术

提出一种干涉式全光纤传感器,能够同时实现对折射率和轴向拉力或温度进行双参数测量。传感器由一个微腔和一个纤芯失配衰减器组成。其中微腔结构是由飞秒激光加工光纤纤芯形成,直径和深度分别是6μm和2.5μm。该干涉式传感器可以获得20dB的高品质干涉对比度。传感器透射谱波长为1496.68nm和1533.18nm的两个衰减峰对应的折射率灵敏度分别为-29.91nm/RIU和-16.72nm/RIU,拉力灵敏度分别为-1.55pm/με和-0.31pm/με。实验结果表明,传感器通过灵敏度矩阵可以同时测量折射率和轴向拉力或温度两个参数。

全光纤马赫-曾德干涉型高精度油罐液位传感器

提出一种用于油罐液位测量的高精度全光纤马赫-曾德干涉型液位传感器及其频谱解调法。基于全反射原理,传感器透射谱条纹对比度随传感光纤周围油液位升高明显下降,油液位变化45 mm,干涉条纹对比度最大变化约8 dB。通过快速傅立叶变换分析滤除零频分量的透射谱发现,特定频率分量随液位升高线性下降。实验结果表明,传感光纤90 mm时,灵敏度311 mm-1,分辨率3μm。该油液液位传感器温度串扰小,在25°C到95℃范围内,被测液位误差小于0.14%。

基于马赫-曾德干涉法测量原子介质的色散特性

理论分析了利用马赫-曾德干涉仪及平衡零拍探测技术测量相干介质色散特性的方法,实验测量了三能级铯原子分别在电磁诱导透明和电磁诱导吸收两种截然相反的相干效应下的色散特性.研究表明:在原子频率共振中心,对于透明介质,由于吸收减弱效应,信号光能穿出介质,保证了有效色散信息,即正常色散特性能被测量到;相反地,对于吸收介质,由于强吸收效应,只有在低粒子数密度条件下,即保证有信号光没有被完全吸收而穿出介质,才能测量到介质的反常色散特性;当提高铯泡温度时,介质对信号光吸收增强以至完全吸收,并且吸收频谱宽度变宽,导致色散信息不能被有效测量到.

用于BOTDR的双通道可调M-Z干涉仪研究

针对BOTDR分布式光纤传感技术中背向散射光中布里渊散射信号光的分离提取问题,设计了一种高消光比双通道可调M-Z干涉仪,该干涉仪由两个3 d B耦合器、电动光纤延迟线、偏振控制器及光隔离器构成。使用C波段宽带光源(ASE)对M-Z干涉仪性能进行了检测。并将脉宽为100 ns,重复频率为20 k Hz的脉冲光入射到长度为5 km的普通单模光纤中,将其产生的背向散射光经过M-Z干涉仪滤波后,通过光谱仪检测其输出的光谱信号。实验结果表明该干涉仪能够实现大范围高精度可调节滤波功能,对瑞利散射光的抑制超过20d B,可以有效地将背向散射光中的布里渊散射光信号分离提取出来。

Mach-Zehnder干涉仪测量磁场对比研究

利用铽镝铁大磁致伸缩材料制作的保偏光纤换能器,并对Mach-Zehnder干涉仪进行了改进,增加了环型共振腔,从而有效提高了磁场的感测效果。对有共振腔与无共振腔干涉仪在测量磁场信号进行对比研究,发现信噪比提高12.2dB。对共振腔在光路中的前后位置对比研究,发现共振腔在光路后端能更有效地测量磁场。