單端腐蝕光纖布拉格光柵在低折射率區(qū)理論模型及設(shè)計(jì)

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)腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對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對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。

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)中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸?shù)膌p01、lp02模耦合所對應(yīng)的損耗峰,并將對應(yīng)的兩中心波長分別帶入色散方程,來計(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.這種方法為測量光纖光柵參數(shù)提供了一種新的途徑.

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λ0呈反對稱分布,s0,s2和s3關(guān)于λ0呈對稱分布;雙折射值增大譜線不產(chǎn)生漂移,但譜線反射帶寬變窄,反射信號與透射信號斯托克斯參量振幅均有不同程度的變化,表明雙折射值對斯托克斯參量的影響非常顯著。測出單模光纖均勻fbg反射和透射斯托克斯參量隨波長變化曲線,理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。

利用復(fù)模式耦合模理論分析了基于閃耀光纖布拉格(bragg)光柵功率檢測的折射計(jì)中不同設(shè)計(jì)參數(shù)對折射計(jì)性能的影響。利用完全匹配層(pml)技術(shù)簡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。

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,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測得磁感應(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影響時(shí),輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過對偏振相關(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,對磁場測量的靈敏度產(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)測量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長周期光纖光柵(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試對象,其波長隨溫度變化,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、簡單實(shí)用,具有較好的應(yīng)用前景。

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)。

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的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計(jì)算等關(guān)鍵步驟來實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進(jìn)而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,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、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長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)測單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、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)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對溫度進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)的溫度測量范圍為-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。

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fbg起到的溫度增敏作用。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢.實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對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、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。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。

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對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進(jìn)行采集,并對得到的數(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實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、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。

采用matlab和comsol建立單模光纖內(nèi)激光傳輸模型,對雙包層內(nèi)光纖折射率和纖芯結(jié)構(gòu)對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面積最大,單位面積的功率分布最低。針對大功率光纖激光器的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了工作波長為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漂移。通過檢測兩個(gè)布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。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)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

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)行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(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)過程,實(shí)現(xiàn)加載過程的實(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)和光柵長度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

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補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時(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。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、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。