布拉格光纖光柵等效芯徑和折射率測(cè)量

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(guò)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。

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實(shí)驗(yàn)中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學(xué)腐蝕的方法來(lái)減小光纖包層的直徑以增大包層模式對(duì)外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長(zhǎng)對(duì)外部折射率的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長(zhǎng)隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達(dá)到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

由法拉第效應(yīng)原理,通過(guò)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(guò)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。

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。

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(xiě)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(kāi)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(kāi)。

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。

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。

根據(jù)理想模展開(kāi)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。

根據(jù)導(dǎo)波光的微擾理論得到了線雙折射磁光光纖光柵中導(dǎo)波光耦合模方程,并給出了其解析解。借助于歸一化斯托克斯參量,研究了線雙折射與磁圓雙折射對(duì)光纖光柵中光偏振態(tài)的影響。研究表明,線雙折射磁光光纖光柵中存在左旋和右旋兩個(gè)本征的橢圓光偏振態(tài),線雙折射或磁圓雙折射的大小只引起本征偏振態(tài)橢圓率的變化,而不改變主軸方位角。通過(guò)調(diào)節(jié)磁光光纖光柵中兩種雙折射的相對(duì)大小可方便地控制輸出導(dǎo)波光的偏振態(tài),從而使磁光光纖光柵在光纖通信與傳感中具有廣泛的潛在應(yīng)用。

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(guò)數(shù)據(jù)采集、過(guò)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(guò)長(zhǎng)期測(cè)試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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)激光脈沖在光纖光柵中傳播時(shí)所滿足的相干耦合非線性薛定諤方程,利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,研究了激光脈沖在拋物線平方變跡布拉格光纖光柵中傳輸時(shí),在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)產(chǎn)生的調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜的特性.結(jié)果表明,在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)都能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性,并且調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜都受拋物線平方變跡函數(shù)的制約.

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說(shuō)明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機(jī)理和特點(diǎn),并介紹了基于arm實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。采用三星公司的s3c44box對(duì)經(jīng)過(guò)可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長(zhǎng)信息進(jìn)行采集,并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長(zhǎng)漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對(duì)鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)研究了側(cè)向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射現(xiàn)象,提出了一種消除橫向應(yīng)力對(duì)溫度交叉敏感的簡(jiǎn)單而又有效的方法,從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。研究表明,對(duì)fbg施加側(cè)向擠壓產(chǎn)生的雙折射導(dǎo)致普通光纖布喇格光柵存在兩個(gè)滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內(nèi)變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應(yīng)力對(duì)它的交叉敏感,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對(duì)溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對(duì)變化的溫度校正了4℃。

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。

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(guò)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(guò)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(wèn)題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過(guò)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。

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。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對(duì)一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試;對(duì)比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)加載過(guò)程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)具有一定的意義。