DISTRIBUTED OPTIC－FIBER FORCE SENSOR BASED ON MODE COUPLING EFFECTS IN HIGH－BIREFRINGENT FIBER

An optic-fiber sensor system for measuring distributed forces is presented. The sensor system chooses high-birefringent fiber as sensing e-iement. Based on coupling effects of polarization modes in high-birefringent fiber, the distribution of the force points along the sensing fiber can be measured by detecting mode couplings in the fiber which are caused by external force disturbance. The location and magnitude of the measured forces are determined by a heterodyne interferometry and the technique of optic path scanning. The spatial resolution of the sensor system is better than 0. 15m for a 50m testing fiber.

高效铌酸锂薄膜波导模斑转换器设计

铌酸锂薄膜光子集成技术在高速光电子领域不断凸显,被广泛用于各种片上功能实现,如电光调制、光频梳、滤波器、非线性光学频率转换器、非线性量子光源、激光器等。在铌酸锂薄膜光子集成技术发展过程中,目前面临的一个重要的技术瓶颈就是铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤的高效耦合。针对这一问题,设计了一种基于SiO_(2)、SiON锥形结构以及双层铌酸锂锥形结构的模斑转换器,实现铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤之间模式和能量的高效传递与转换。采用三维有限差分光束传播法对器件结构进行了模拟仿真,并优化了结构参数,可实现与铌酸锂薄膜波导与单模光纤的高效耦合,耦合效率在82.2%~89.0%之间,同时,得到了±1.8μm光纤耦合对准容差,可为下一步制备出高效耦合的铌酸锂薄膜光子器件提供参考。

具有温度自补偿功能的宽频带光纤电场传感器

光纤电场传感器抗电磁干扰能力强、响应速度快,在电力设备运行状态和绝缘状况的监测领域有着广阔的应用前景。现有的光纤电场传感器由多个不同功能的分立光学器件组合而成,光路耦合对准困难、光功率损耗大、灵敏度低。此外,温度交叉敏感问题进一步限制了传感器的实际工程应用。为克服现有技术难题,提出一种以特种功能光纤取代分立光学器件,进而形成全光纤电场传感器的技术思路。传感器中的起偏器、检偏器、波片等功能器件均在光纤上实现,避免了分立元件之间对准、耦合等带来的传感器结构不稳定、性能低等问题。此外,通过双晶体正交级联光路结构的设计,赋予传感器温度自补偿功能,实现对温度交叉敏感的有效抑制。实验结果表明,传感器可同时对50 Hz低频电场和纳秒级脉冲电场进行有效捕获,环境温度变化给测量结果带来的误差仅为0.1%/℃。全光纤电场传感器结构简单、稳定性好、测量频带宽,在电力设备快速暂态过电压的测量方面有着重要的潜在应用价值。

光纤耦合效率与接收光强计算研究

由于用近似方法计算出的光纤耦合效率和接收光功率与实验测量之间存在差异,有必要探讨更准确的计算方法以满足应用的需要。通过对径向变量的积分,导出了在高斯光强分布下对接收光纤端面进行面积分计算的一元积分式,从而可以快速准确地对光纤的耦合效率和接收光功率进行数值计算。对62.5/125多模光纤的耦合效率和接收光功率进行的数值计算和实验测量说明,光纤的耦合效率只有用准确的数值计算才能给出与实际相符合的计算结果。使用芯径较大的接收光纤测量出射光束的近场光强分布时,光纤接收光强分布较光束的光强分布有较大的展宽,其相对误差甚至可达60%。

光锥与CCD耦合效率的理论分析

光锥与CCD的耦合技术是研制ICCD图像传感器的关键技术 ,本文主要从理论上分析并讨论了光锥与CCD耦合器件的耦合效率及其影响因素 ,进一步分析讨论了耦合效率对耦合器件信噪比的影响 证明了光锥与CCD的耦合效率不仅降低ICCD探测效率而且降低ICCD信噪比 。

基于ZEMAX高功率半导体激光器光纤耦合设计

随着半导体激光器光源在激光加工领域的应用不断拓展,研制高耦合效率的半导体激光器光纤耦合模块变得十分重要。为了进一步提高光纤耦合激光二极管模块的输出功率,本文应用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟,将12只波长为808 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器通过合束方法高效率耦合进光纤。耦合光纤芯径为150μm、数值孔径为0.22,光纤输出功率为116.2 W,耦合效率为96.8%。

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

受大气湍流影响,空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低,根据弱湍流理论,推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式,仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系,结果表明:当大气折射率结构常数达到10-12时,耦合效率降到0.1以下,且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统(AO)进行补偿实验,对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法,对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移,发现AO进行低阶像差校正后,波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比(SR)及耦合效率增加,进行高阶校正后情况进一步改善。

球形光纤端面效应及其应用

本文介绍了球形光纤端面的制作方法，采用射线理论和等效透镜法分析了圆球形端面多模光纤的端面效应，并给出了两个不同端面多模光纤之间耦合的实验结果。结果表明：圆球形端面光纤具有聚光特性，与平端面相比，使用圆球形端面光纤不仅可以提高光器件之间的耦合效率，而且增大了它们之间的耦合距离，利于光路调试；可广泛应用于光源与光纤、光纤与光纤、光纤与探测器之间的耦合。

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.

振动对空间光-光纤耦合效率影响及补偿实验研究

利用现有成熟光纤通信技术是目前卫星光通信技术的重要发展方向，但需首先解决空间光-光纤耦合这一关键问题。文中对卫星平台振动对空间光-光纤耦合效率的影响进行了理论分析；在此基础上针对卫星光通信终端，建立以CCD为探测器，高速偏转镜为补偿器件的卫星平台微振补偿系统，并进行了实验研究。实验结果表明：所采用的基于反馈控制技术的主动补偿系统能有效地抑制低频振动。在振动频率介于1～50 Hz，振动幅度介于75～300μrad之间时，补偿系统对耦合效率的最大改善率可达54.73%，验证了补偿方案的可行性及有效性，为在卫星光通信系统中应用各种光纤通信技术打下基础。

对称结构光子晶体光纤温度传感特性的研究

提出了一种新型纤芯-包层对称结构光子晶体光纤。其截面圆形空气孔以四边形晶格排列方式沿光纤中心对称分布,中心各自移除两空气孔构成两纤芯,形成两组完全对称的纤芯-包层结构。对一组纤芯-包层所有空气孔进行填充乙醇液体,利用填充液折射率的温度敏感性,来调制两纤芯的耦合特性。采用有限元法分析了1 cm长该型光纤在20～25℃变化时的温度特性,结果显示该型光纤可实现高灵敏度温度传感,其灵敏度可达3.21 nm/℃。

一种实现半导体激光器和多模光纤耦合的实用技术

文中提出了一种实现半导体激光器和多模光纤耦合的实用化方法。用一段直径为600μm的裸石英光纤代替柱透镜对半导体激光器输出光束进行准直整形;用半球端光纤对光束进行聚焦后直接实现和光纤耦合,来代替聚焦透镜和光纤耦合的环节。研究表明:采用该方法耦合效率在80.0%左右,同时最大程度解决了使用柱透镜和聚焦透镜的组合透镜耦合系统时存在的调试与封装困难的问题,且工艺稳定,因而有着广泛的应用前景。

空间激光与单模光纤和光子晶体光纤的耦合效率

为了设计最优光纤耦合系统,利用高斯模场近似单模阶跃光纤的模场和大模面积光子晶体光纤的模场,推导出了理想情况下空间激光与这两种光纤的耦合效率解析表达式以及光纤端面相对于耦合系统存在横向偏移和端面倾斜时的耦合效率解析表达式。基于上述理论表达式计算了空间激光与光纤的耦合效率,并通过实验验证了此理论表达式的有效性。理论计算和实验均证实了单模阶跃光纤对于横向偏移更敏感,当横向偏移量等于单模光纤的纤芯半径时所对应的耦合效率只有20.25%,为理论最大值的1/4;而大模面积光子晶体光纤对于端面倾斜更加敏感,当端面倾斜2°时对应的耦合效率只有40.5%,为理论最大值的1/2。所提出理论表达式和实验方法完全可以为设计光纤耦合系统提供准确的参数。

半椭球形和子弹头形光纤传感探头的耦合特性

利用光路追踪程序,对于不同光纤参数条件下半椭球形和子弹头形光纤传感探头的耦合特性进行了研究。研究结果表明:对于半椭球形探头,当长短轴之比在1.15和1.3附近时存在一个耦合最佳结构;而对于子弹头形探头,仅变成圆形时为最佳。这两种探头容易制作,半椭球形探头的耦合效率高于子弹头形。

收发共光路单模光纤耦合光学系统研究

目标散射光至单模光纤的高效耦合是光纤相干探测激光雷达系统研制的关键技术。为获得尽可能高的单模光纤耦合效率,首先分析了Zernike初级像差对单模光纤耦合效率的影响,在此基础上针对收发共光路单模光纤耦合光学系统在真空中使用的需求设计了带有真空补偿镜的耦合光学系统,实测耦合效率为55.9%。最后对耦合系统在不同温度下的耦合效率进行了测试,在(20.4±2)℃的温度范围内耦合效率最低为45.7%,并通过基于角锥棱镜的焦面位置等效验证方案验证了真空状态下的耦合效率与地面测试状态下的耦合效率一致。

湍流环境中光纤耦合效率的提高

在空间激光通信应用中,空间光与单模光纤的耦合效率是影响通信系统性能的重要因素。考虑大气湍流会降低激光与光纤的耦合效率,本文从湍流强度与光学系统分辨率之间的关系出发,研究了大气湍流对光纤耦合效率的影响,导出了接收口径、系统焦距、入射光波长、接收光纤半径、大气相干长度等与单模光纤耦合效率之间的关系。提出了两种在湍流环境中提高光纤耦合效率的方法。方法一是在外界湍流强度发生变化时,通过改变耦合系统焦距,使耦合效率保持在较高值;方法二则是采用锥状光纤接收来提高耦合效率。最后对提出的方法进行了分析、仿真和室外耦合效率测试,验证了所提出的改善耦合效率方法的有效性。

球形光纤传输三维电场传感器

研制了一套用于小空间电磁脉冲测试的光纤传输电磁脉冲三维电场传感器。通过电磁仿真软件CST2011,研究了天线结构对被测场的影响,发现嵌入式探头与球形结构可以有效减小屏蔽壳体对电场扰动。讨论了传感器极间耦合及三维场合成误差,确定了主要设计参数。研制的三维传感器采用了屏蔽结构与偶极子天线的一体化设计,对外部电场屏蔽可达60dB。在有界波电磁脉冲模拟器中的实验表明,传感器系统对于三维电场测量可达到设计要求,对被测电场扰动较小,极间耦合系数小于6%,三维场角度与峰值合成误差小于5%。传感器采用对称结构,满足自由空间场测量的需要。

外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器

为解决非本征光纤法布里-珀罗(Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometor,EFPI)在电力变压器内体绝缘安装困难且易损坏的问题,设计了高灵敏度的EFPI传感器,提出采用油腔结构的变压器油箱壁外置式安装方法。在阐述EFPI传感和液气介质下膜片振动原理的基础上,分析了传感器检测灵敏度与其法-珀腔膜片尺寸的关系,设计EFPI传感器法-珀腔膜片尺寸并制备传感器。然后,设计外置油腔耦合结构,采用压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)声发射传感器构建EFPI传感器性能测试系统,测得EFPI传感器的幅频特性和检测灵敏度。最后,使用板-板电极和变压器实体模型搭建局放检测系统,外置EFPI传感器与PZT传感器同时探测电极局放信号。实验结果表明EFPI传感器的一阶固有谐振频率为113 kHz,静压灵敏度为7.5 nm/kPa,外置油腔耦合结构EFPI传感器局放超声信号的检测灵敏度高于传统的PZT传感器。外置结构可有效保护传感器膜片,降低安装难度,且避免了EFPI传感器置于变压器绝缘高场强度区域带来的安全隐患。

光纤偏移对空间光-单模光纤耦合效率的影响

空间光-单模光纤耦合的关键技术是怎样确保耦合系统中光纤的准确定位。基于电磁场模场匹配理论,讨论了光纤偏移对空间光-单模光纤耦合效率的影响,结果显示耦合效率随着光纤偏移的增大显著下降。采用光纤调整架以及微透镜光纤可以显著改善耦合效率,讨论结果有助于空间光-单模光纤耦合器件的优化设计。