包層模光纖布拉格光柵折射率傳感特性

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(qū)(約1.333～1.360)對(duì)折射率與溫度同時(shí)測(cè)量的理論模型,分析其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應(yīng)的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結(jié)果表明,可通過減小腐蝕區(qū)的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來(lái)提高折射率靈敏度,但這同時(shí)會(huì)降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單端腐蝕fbg,進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計(jì)算其纖芯直徑和折射率的方法.實(shí)驗(yàn)中采用較短波長(zhǎng)的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來(lái)寫布拉格光柵.通過測(cè)量lp01模與反向傳輸?shù)膌p01、lp02模耦合所對(duì)應(yīng)的損耗峰,并將對(duì)應(yīng)的兩中心波長(zhǎng)分別帶入色散方程,來(lái)計(jì)算同時(shí)滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測(cè)量光纖光柵參數(shù)提供了一種新的途徑.

提出了一種基于fpga與dsp平臺(tái)的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號(hào)波峰檢測(cè)、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長(zhǎng)計(jì)算等關(guān)鍵步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對(duì)象的在線測(cè)量,并且可以實(shí)現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長(zhǎng)解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長(zhǎng)期測(cè)試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對(duì)光子晶體光纖的傳輸特性進(jìn)行分析,研究正向傳輸和反向傳輸?shù)哪Ｊ街g的耦合規(guī)律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對(duì)稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長(zhǎng)λb隨光纖結(jié)構(gòu)參量的變化規(guī)律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個(gè)不同偏振態(tài)的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個(gè)偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的反射譜都由于高雙折射而分開。

由法拉第效應(yīng)原理,通過測(cè)量磁場(chǎng)引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點(diǎn)。利用瓊斯矩陣法理論推導(dǎo)了fbg在既有雙折射又有磁場(chǎng)影響時(shí),輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過對(duì)偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對(duì)線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

利用復(fù)模式耦合模理論分析了基于閃耀光纖布拉格(bragg)光柵功率檢測(cè)的折射計(jì)中不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)折射計(jì)性能的影響。利用完全匹配層(pml)技術(shù)簡(jiǎn)化了輻射模分析模型。分析結(jié)果表明,隨著光柵傾斜角度的增大,折射計(jì)的感應(yīng)范圍向折射率較小的方向移動(dòng)。隨著光柵長(zhǎng)度以及折射率調(diào)制強(qiáng)度的增大,折射計(jì)的靈敏度增大,但折射率感應(yīng)范圍不變。同時(shí)這種折射計(jì)具有偏振依賴性,隨著光柵傾斜角的增大偏振依賴性提高。因此在這種傳感系統(tǒng)中需要引入精確且穩(wěn)定的偏振控制。

根據(jù)耦合模理論和瓊斯矩陣與斯托克斯矢量的關(guān)系給出單模均勻光纖布拉格光柵(fbg)反射和透射斯托克斯參量公式,數(shù)值模擬出低雙折射單模光纖均勻fbg在不同雙折射值下反射和透射斯托克斯參量隨波長(zhǎng)變化的曲線。結(jié)果顯示4個(gè)歸一化斯托克斯參量中,s1關(guān)于中心波長(zhǎng)λ0呈反對(duì)稱分布,s0,s2和s3關(guān)于λ0呈對(duì)稱分布;雙折射值增大譜線不產(chǎn)生漂移,但譜線反射帶寬變窄,反射信號(hào)與透射信號(hào)斯托克斯參量振幅均有不同程度的變化,表明雙折射值對(duì)斯托克斯參量的影響非常顯著。測(cè)出單模光纖均勻fbg反射和透射斯托克斯參量隨波長(zhǎng)變化曲線,理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過檢測(cè)兩個(gè)布拉格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)電流。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對(duì)誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時(shí)利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長(zhǎng)距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來(lái)補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長(zhǎng)度時(shí)獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號(hào)。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長(zhǎng)距離遙測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長(zhǎng)漂移。通過檢測(cè)2個(gè)fbg的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而減少了測(cè)量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對(duì)誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長(zhǎng)、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

采用matlab和comsol建立單模光纖內(nèi)激光傳輸模型,對(duì)雙包層內(nèi)光纖折射率和纖芯結(jié)構(gòu)對(duì)光能量分布的影響進(jìn)行了理論研究。系統(tǒng)分析了光纖芯徑與數(shù)值孔徑、歸一化頻率和功率填充因子的關(guān)系,依據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)一步采用多模物理耦合仿真方法對(duì)不同類型的單模雙包層光纖纖芯的能量分布進(jìn)行仿真,探索了不同折射率分布情況對(duì)纖芯能量分布的影響。計(jì)算和仿真結(jié)果表明:凹面折射率分布光纖的光斑模場(chǎng)面積最大,單位面積的功率分布最低。針對(duì)大功率光纖激光器的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了工作波長(zhǎng)為1.064μm、纖芯直徑為10μm、凹面直徑為8μm、數(shù)值孔徑為0.12的單模凹面折射率雙包層光纖,為提高光纖泵浦效率、降低纖芯的能量密度提供了思路。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調(diào)方法及實(shí)驗(yàn)原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

根據(jù)菲涅耳公式和功率反射系數(shù)關(guān)系式,分析纖芯失配型光纖傳感器折射率傳感原理;采用單模/多模光纖制作傳感器,研究傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率變化特征,并驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。表明媒質(zhì)折射率n_2=1.300～1.441時(shí),傳感器輸出光功率強(qiáng)且?guī)缀醪话l(fā)生變化;n_2=1.441～1.452時(shí),傳感器輸出光功率呈線性快速下降,其斜率為-155.91;當(dāng)媒質(zhì)折射率與單模光纖包層折射率接近時(shí),傳感器輸出光功率幾乎為0。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),傳感器線性快速下降的折射率范圍為1.442～1.454,斜率為-49.67,其輸出光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳感系統(tǒng)全光纖化等特點(diǎn),能用于有毒有害、易燃易爆等特殊環(huán)境下物質(zhì)折射率的高精度測(cè)量。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來(lái),特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對(duì)于給定光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

光纖布拉格光柵(fbg)傳感器是智能金屬結(jié)構(gòu)首選的信息傳輸與傳感的載體,埋入金屬材料內(nèi)部的fbg傳感器必須要經(jīng)過適當(dāng)保護(hù),金屬鍍層是最有效的保護(hù)方法之一。fbg經(jīng)過鍍前預(yù)處理,通過化學(xué)鍍方法可獲得均勻的金屬保護(hù)鍍層。針對(duì)金屬保護(hù)鍍層,應(yīng)用彈性力學(xué)基本原理分析了由于鍍層與fbg傳感器的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力,建立了鍍層厚度對(duì)fbg溫度傳感性能影響的數(shù)學(xué)模型。鍍鎳fbg的升溫和降溫傳感實(shí)驗(yàn)表明,升溫時(shí)的實(shí)際溫度靈敏度系數(shù)與模型值之間誤差為6.22%,降溫時(shí)的實(shí)際溫度靈敏度系數(shù)與模型值之間誤差為6.75%。與裸fbg相比,化學(xué)鍍鎳后的fbg溫度靈敏度系數(shù)提高1倍多。結(jié)果表明該溫度模型從理論上解釋了鍍層金屬熱應(yīng)力對(duì)fbg起到的溫度增敏作用。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對(duì)3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對(duì)各個(gè)解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對(duì)于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

提出了一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測(cè)單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來(lái)的不利影響,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

將長(zhǎng)周期光纖光柵(lpg)和光纖sagnac環(huán)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了折射率和溫度的同時(shí)測(cè)量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長(zhǎng)周期光纖光柵(pm-lpg),然后把該pm-lpg和普通單模光纖耦合器組成sagnac環(huán),作為傳感單元。實(shí)驗(yàn)選擇其某一透射峰作為測(cè)試對(duì)象,其波長(zhǎng)隨溫度變化,強(qiáng)度隨折射率變化,因此可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)參量的同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)獲得的溫度靈敏度為-0.654nm.℃-1,折射率靈敏度為49.9db.riu-1。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本低、簡(jiǎn)單實(shí)用,具有較好的應(yīng)用前景。

根據(jù)彈性力學(xué)和邊界條件,得出了光纖布拉格光柵(fbg)傳感器應(yīng)變測(cè)量值與基體材料實(shí)際應(yīng)變的關(guān)系方程。通過裸光柵直埋基體材料界面?zhèn)鬟f的特征系數(shù),可表征和計(jì)算fbg檢測(cè)應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)變的誤差及修正系數(shù)。并對(duì)固化于cfrp的fbg變傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:fbgbragg波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性和重復(fù)性。用電阻應(yīng)變儀對(duì)fbg傳感器應(yīng)變傳感特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比標(biāo)定,得出了表征fbg性能的應(yīng)變傳感靈敏系數(shù)。fbg傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感特性,為先進(jìn)智能復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用提供了依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)加速度信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量,提出了一種新穎的雙懸梁fbg加速度傳感器。設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)及封裝方法,理論分析了傳感器的工作原理。實(shí)驗(yàn)研究了傳感器的線性響應(yīng)、溫度響應(yīng)、共振頻率和方向抗干擾特性,結(jié)果表明,傳感器的加速度響應(yīng)靈敏度為7.81pm/m/s2,相對(duì)誤差為2.62%,加速度與波長(zhǎng)具有較好的線性關(guān)系,線性度為99.8%;在67.5～27.5℃內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),能有效消除溫度的影響;傳感器具有較好的平坦區(qū)和較強(qiáng)的抗干擾能力。

研制了一種金屬環(huán)封裝的單柱體芯軸式光纖布拉格光柵(fbg)振動(dòng)傳感器,搭建了基于非平衡邁克耳遜干涉儀相位載波調(diào)制(pgc)解調(diào)技術(shù)的fbg振動(dòng)傳感器解調(diào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了低頻振動(dòng)信號(hào)的高精度實(shí)時(shí)解調(diào),并分析了各參數(shù)對(duì)傳感器諧振頻率和靈敏度等特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研制的fbg振動(dòng)傳感器諧振頻率為388hz,在10～200hz頻率范圍內(nèi),傳感器的加速度靈敏度約為81pm/g,且加速度響應(yīng)平坦,起伏小于1db,與理論分析結(jié)果基本一致。研制的振動(dòng)傳感器可實(shí)現(xiàn)200hz以下低頻振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè),解調(diào)系統(tǒng)的波長(zhǎng)檢測(cè)精度為1.07×10-3pm,最小可檢測(cè)加速度為1.3×10-5g。