低雙折射均勻光纖布拉格光柵斯托克斯參量

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.

亞波長(zhǎng)直徑微納光纖強(qiáng)倏逝場(chǎng)傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性,使其對(duì)周圍介質(zhì)折射率的變化具有極高的靈敏度.本文提出一種基于微納尺度光纖布拉格光柵(mnfbg)的折射率傳感器,結(jié)合微納光纖倏逝場(chǎng)傳輸和光纖布拉格光柵(fbg)強(qiáng)波長(zhǎng)選擇的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度折射率傳感,對(duì)其制備可行性進(jìn)行了討論.論文中對(duì)mnfbg折射率傳感機(jī)理進(jìn)行了深入的理論分析,并使用optigrating軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬數(shù)據(jù)顯示mnfbg折射率測(cè)量的靈敏度隨著光纖半徑的減小而增加,其中光纖半徑為400nm的mnfbg靈敏度可達(dá)到993nm/riu,相比于包層蝕刻的fbg靈敏度增加了170倍,說(shuō)明mnfbg對(duì)發(fā)展微型化、高靈敏度折射率傳感器具有良好的應(yīng)用前景.

理論分析和模擬計(jì)算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化,比正、反向基模之間耦合對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)變化顯著增大。實(shí)驗(yàn)上制作了少模光纖布拉格光柵,測(cè)量了基模之間以及基模與高階模之間對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對(duì)于溫度變化對(duì)折射率測(cè)量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計(jì)算布拉格波長(zhǎng)差來(lái)克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測(cè)量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

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。

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。

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℃。

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。

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。

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(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。

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。

理論分析了切趾弱雙折射光纖布喇格光柵反射偏振相關(guān)特性與溫度之間的關(guān)系.數(shù)值模擬了切趾弱雙折射光纖光柵的反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時(shí)延隨波長(zhǎng)變化曲線.實(shí)驗(yàn)測(cè)出了不同溫度下反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時(shí)延隨波長(zhǎng)變化曲線.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)偏振相關(guān)損耗和差分群時(shí)延的變化情況作出了分析.反射偏振相關(guān)損耗呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,隨溫度增加兩峰漂移程度相同,表明偏振相關(guān)損耗無(wú)明顯差異.差分群時(shí)延最大值隨溫度增加成線性向長(zhǎng)波方向漂移,證明了光纖光柵正交模損耗變化的等同性.綜合理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:切趾弱雙折射光纖布喇格光柵的偏振特性隨溫度產(chǎn)生明顯的變化,其正交模變化呈現(xiàn)等比例特性.

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。

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。

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(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。

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(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長(zhǎng)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(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。

針對(duì)傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢(shì).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(zhǎng)變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對(duì)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(duì)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.