低双折射均匀光纤布拉格光栅斯托克斯参量

研究单端腐蚀光纤布拉格光栅(fbg)在低折射率区(约1.333～1.360)对折射率与温度同时测量的理论模型,分析其主要结构参数对折射率灵敏度和线性度的影响,建立相应的线性近似理论和误差分析方法。理论仿真结果表明,可通过减小腐蚀区的直径或选择光栅周期较大的fbg制作传感器来提高折射率灵敏度,但这同时会降低传感器的线性度及增大折射率灵敏度的理论误差。在此理论分析基础上,设计并制作一个单端腐蚀fbg,进行相应实验研究,实验结果与仿真结果一致。

提出一种通过布拉格光纤光栅传输谱线计算其纤芯直径和折射率的方法.实验中采用较短波长的相位掩模板及紫外光照射载氢的单模光纤来写布拉格光栅.通过测量lp01模与反向传输的lp01、lp02模耦合所对应的损耗峰,并将对应的两中心波长分别带入色散方程,来计算同时满足布拉格光栅相位匹配条件的解,即可求出该光纤光栅纤芯直径和折射率.这种方法为测量光纤光栅参数提供了一种新的途径.

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(mnfbg)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(fbg)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对mnfbg折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用optigrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示mnfbg折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400nm的mnfbg灵敏度可达到993nm/riu,相比于包层蚀刻的fbg灵敏度增加了170倍,说明mnfbg对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景.

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大。实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果。而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法。这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径。

利用复模式耦合模理论分析了基于闪耀光纤布拉格(bragg)光栅功率检测的折射计中不同设计参数对折射计性能的影响。利用完全匹配层(pml)技术简化了辐射模分析模型。分析结果表明,随着光栅倾斜角度的增大,折射计的感应范围向折射率较小的方向移动。随着光栅长度以及折射率调制强度的增大,折射计的灵敏度增大,但折射率感应范围不变。同时这种折射计具有偏振依赖性,随着光栅倾斜角的增大偏振依赖性提高。因此在这种传感系统中需要引入精确且稳定的偏振控制。

提出了基于光纤布拉格光栅(fbg)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。

实验研究了侧向挤压作用下的光纤布喇格光栅(fbg)产生的应力双折射现象,提出了一种消除横向应力对温度交叉敏感的简单而又有效的方法,从理论和实验上进行了分析与验证。研究表明,对fbg施加侧向挤压产生的双折射导致普通光纤布喇格光栅存在两个满足布喇格条件的反射光谱,且双峰间距在100℃的温度范围内变化了0.055nm,利用该双峰间距的变化可消除温度传感中横向应力对它的交叉敏感,实现对温敏系数的修正及温度的校正,实验中测得的原始温敏系数是0.0138nm/℃,对温敏系数修正了0.005nm/℃,对变化的温度校正了4℃。

根据导波光的微扰理论得到了线双折射磁光光纤光栅中导波光耦合模方程,并给出了其解析解。借助于归一化斯托克斯参量,研究了线双折射与磁圆双折射对光纤光栅中光偏振态的影响。研究表明,线双折射磁光光纤光栅中存在左旋和右旋两个本征的椭圆光偏振态,线双折射或磁圆双折射的大小只引起本征偏振态椭圆率的变化,而不改变主轴方位角。通过调节磁光光纤光栅中两种双折射的相对大小可方便地控制输出导波光的偏振态,从而使磁光光纤光栅在光纤通信与传感中具有广泛的潜在应用。

研究了单模光纤布拉格光栅的偏振相关损耗(pdl)特性。运用耦合模理论和琼斯(jones)矩阵提出了反射光的有效偏振相关损耗(pdleff),并模拟了其随光栅参数和双折射量的变化性质。光栅反射光的偏振相关损耗在反射谱的带边处明显地表现出来,特别是带边比较陡峭时。结果表明,光栅的有效偏振相关损耗明显地依赖于光栅的结构参数和双折射量。光栅的有效偏振相关损耗随光栅长度和调制深度的增加急剧增大。对于给定光栅长度和调制深度的光栅,光栅双折射量小于2×10-5时,光栅的有效偏振相关损耗随双折射的增大迅速增大;光栅双折射量大于2.5×10-4时,光栅的有效偏振相关损耗的两个主峰的宽度变大并在其上有子峰,随双折射的继续增大,两主峰间距增大而子峰变小。实验结果与理论模拟基本吻合。

阐述了光纤布拉格光栅的几种解调方法及实验原理框图,并介绍了各种解调方法的优缺点。

提出了一种基于fpga与dsp平台的光纤布拉格光栅传感分析仪,将外界参量的变化转化为光纤布拉格光栅波长的偏移,通过数据采集、过滤杂波、信号波峰检测、高斯曲线拟合以及加权波长计算等关键步骤来实现波长解调技术,进而完成温度、应变、压力或位移等对象的在线测量,并且可以实现光纤线路故障分析与定位的功能。实验结果表明:该系统功耗低、线性度好、波长解调精度与分辨率较高。经过长期测试,系统软硬件运行稳定可靠。

提出了一种基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统。级联长周期光纤光栅作为边沿滤波器,利用它的一个线性区监测单个光纤布拉格光栅传感信号。该系统具有结构简单、价格低等优点,但易受光源抖动及系统其他不稳定因素等带来的系统噪声的影响。为消除系统噪声带来的不利影响,对该系统进行了改进。改进系统利用级联长周期光纤光栅的两个线性区同时监测两个光纤布拉格光栅传感信号。分别用原系统及其改进系统对温度进行监测,实验的温度测量范围为-70～-115°c。原系统的灵敏度为0.49mv/°c,温度分辨率为0.5°c;改进系统的灵敏度为0.86mv/°c,温度分辨率为0.3°c。实验结果表明改进系统能有效消除系统噪声,提高系统的精度。

根据理想模展开下的耦合模方程,对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导,得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽,得到的反射率为1、带宽为0.02nm的窄带宽布拉格光栅,比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统,可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率,消除各信号间的相互串扰,提高传感光栅复用数目,降低解调系统成本。

理论分析了切趾弱双折射光纤布喇格光栅反射偏振相关特性与温度之间的关系.数值模拟了切趾弱双折射光纤光栅的反射谱、偏振相关损耗和差分群时延随波长变化曲线.实验测出了不同温度下反射谱、偏振相关损耗和差分群时延随波长变化曲线.根据实验结果对偏振相关损耗和差分群时延的变化情况作出了分析.反射偏振相关损耗呈现两个峰值,随温度增加两峰漂移程度相同,表明偏振相关损耗无明显差异.差分群时延最大值随温度增加成线性向长波方向漂移,证明了光纤光栅正交模损耗变化的等同性.综合理论分析与实验结果表明:切趾弱双折射光纤布喇格光栅的偏振特性随温度产生明显的变化,其正交模变化呈现等比例特性.

分析光纤光栅传感原理,阐述可调光纤f-p滤波器的工作机理和特点,并介绍了基于arm实现光纤布拉格光栅(fbg)传感器的解调系统的硬件结构和软件设计。采用三星公司的s3c44box对经过可调谐f-p腔解调后的波长信息进行采集,并对得到的数据进行处理。实验结果表明系统可以满足一般的工程要求。

为了研究镀ni光纤布拉格光栅(fbg)的温度灵敏度,根据镀nifbg的特点,分析了镀nifbg温度变化时的应力应变,从理论上推导出镀nifbg的温度灵敏度公式并通过实验进行了验证,用理论证明了镀nifbg的波长漂移、应力和应变与温度变化成线性关系,分析了镀nifbg的温度灵敏度与镀层厚度的关系。用an-sys软件对镀nifbg在温度变化时的应力应变进行了仿真。理论分析得到镀层厚度为4.56μm的镀nifbg的温度灵敏度为14.3306pm/℃,实验值为14.113pm/℃。理论、实验和仿真得到了一致的结果。

两电流产生的电磁力使等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移。通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测电流。双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题。垂直放置的等腰三角形悬臂梁,确保光纤光栅在传感过程中不出现啁啾现象,又避免了自身重量和导线重量对测量结果的影响,从而减少了测量误差。该系统传感灵敏度为0.097nm/a,与理论值的相对误差为3.38%,结果表明该传感器结构是可行的。

基于光纤光栅传感技术,采用光纤光栅应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅位移计对一座既有预应力钢筋混凝土空心板桥的静、动载试验进行了测试;对比分析了传统传感技术与光纤光栅传感技术的测试结果。结果表明:传统传感器和光纤传感器实桥测量结果与计算结果均能吻合,均能够反映出桥梁的实际受力状态;且光纤光栅传感器可以真实反映加载的整个过程,实现加载过程的实时连续监控。

采用数值模拟的方法研究了光纤布拉格光栅(fbg)的非线性双稳开关特性。从耦合模理论出发,利用jacobi椭圆函数法得到了3种不同的解,首先对3种解下的非线性双稳开关特性分别进行比较,然后针对各个解下的影响开关特性的失谐量、耦合系数和光栅长度等参数进行分析,研究结果对于分析和构建非线性双稳fbg光开关具有一定的意义。

从布拉格光栅方程出发,理论上分析了在温度、应变双参量同时测量时,考虑温度-应变交叉灵敏度、二阶应变灵敏度和二阶温度灵敏度情况下,温度和应变测量的误差的一般数学公式.结合实验数据进行了温度和应变的误差计算,得出3个二阶灵敏度在不同的温度变化、应变范围内对测量误差的贡献不同.同时给出了波长的漂移量与温度、应变呈线性关系时,温度变化和应变的范围.

提出了基于可调激光器和声光脉冲调制的光纤布拉格光栅(fbg)传感系统,同时利用掺铒光纤放大器(edfa)和拉曼放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅传感系统的传输距离,达到了300km的超长距离传感。该系统通过前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源来补偿光纤布拉格光栅反射的光功率。系统在低于275km长度时获得了大于15db的优良信噪比;在300km处获得了4db的信噪比,以及明显的反射信号。系统在100,200,250,300km处的静态应变实验中,线性度均达到了0.999以上。系统可望在铁道、输油(气)管道、海岸线等的超长距离遥测中得到广泛应用。

针对传统骨骼形变监测技术中存在的传感器尺寸较大,易受电磁干扰,不易实现体内长期监测等不足,采用光纤布拉格光栅(fiberbragggrating,fbg)作为骨骼形变监测的实现原理及应用方式.基于fbg应力传感原理,将不同中心波长的fbg粘贴于清理干净的肋骨上进行载荷实验,随后将采集的布拉格波长换算成形变,实时显示骨骼受载荷时的形变趋势.实验采用在多点粘贴f3g的方式,避免了温度、应变交叉传感的问题.实验表明,粘贴在猪肋骨上的fbg的波长变化与该位置受力产生的弯曲形变具有明显的线性对应关系,光纤光栅谱峰漂移随骨骼挠度变化的灵敏度可达39.00525pm/mm.实验结果对发展微型、实时、集成骨骼健康监控具有一定的参考意义.