写入参数对光纤布喇格光栅反射特性指标影响

光纤布喇格光栅(fbg)封装技术是光器件集成化中的一项关键技术。提出了一种全部注胶的封装方案,由于胶水固化时所产生的应力使得光纤布喇格光栅的性能出现劣化,反射谱和透射谱出现多峰。在第二套封装方案中,通过减少注胶范围和增加保护结构,实现了性能良好的封装方案,fbg反射谱和透射谱形状均正常。

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达-2.11pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.

介绍紫外光刻法制作微纳光纤布喇格光栅(mf-bg)的制作工艺,测量并分析不同直径的微纳光纤布喇格光栅的反射谱。数据表明随着微纳光纤的直径变小,光纤光栅的中心波长蓝移且反射强度也随之减小。仿真计算微纳光纤的有效折射率和光纤纤芯的束缚能力(即基模分布在纤芯的能量与基模全部能量的比值),来解释上述变化。

设计了一种基于双光纤布喇格光栅的新型液位传感器,导出了双光纤布喇格光栅的波长漂移差与液位的关系。圆盘上受到的液体压力导致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喇格光栅的布喇格波长漂移。通过检测两个布喇格光栅的波长漂移差,得到被测液位。双光纤布喇格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布喇格光栅传感器的交叉敏感问题。该液位传感器的动态测量范围为2～3000mm。实验表明,双光纤布喇格光栅的中心波长随液位的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合较好,该设计方案是切实可行的。

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℃。

由于各种光噪声的影响,基于可调谐法布里-珀罗(f-p)滤波器的光栅解调仪解调精度不够高,光路噪声通常会带来10pm量级的波长测量误差。为了提高布喇格波长检测精度,采用了在解调过程中对光纤光栅反射谱进行高斯拟合,从而消减噪声影响的方法。实验发现,拟合后中心波长的测量误差小于2.5pm,温度测量值与实际温度之间的标准方差为0.3℃。结果表明,在有害噪声信号不是非常大的情况下,该方法能有效提高波长检测精度。

为了实现对海水温度监测,设计了一套浮标式光纤布喇格光栅远程测量系统。该系统结合了fbg传感技术和labview技术,以pc机、无线数传模块、工控机、解调仪等为主要硬件搭建。实现了传感器的数据采集、处理、传输、显示、存储及浮标定位等功能。通过海试证实了系统的可行性及可靠性,同时该系统在实际应用中体现了便捷,快速的优势。

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。

提出了一种由单个光纤光栅和一个光纤方向耦合器组成的新型全光纤反射器,推导出了当光栅为均匀bragg光栅、器件任意端口输入时,任何一端口的输出解析式。分析表明器件具有法布里-珀罗腔干涉仪的特点,耦合器的耦合比系数类似于法布里-珀罗腔的反射率,耦合比系数越大,输出光谱半高全宽度(fwhm)越窄,消光比越好。当耦合比系数大于0.8时,fwhm可以窄到0.02nm,消光比大于0.9。如果光栅是“强”耦合,器件具有均匀分布的多通道梳状输出特性;光栅为“弱”耦合时,则能实现fwhm小于0.02nm的单频输出。器件只需单个光栅,克服了制作两个完全相同光栅的困难。

我国高速铁路建设已进入快速发展时期,对运行列车的安全保障成为日益凸显的重要研究内容,建立铁路异物侵限监测系统显得尤为必要和迫切。本文提出用光纤布喇格光栅应力传感器替代传统的电网传感器,分析了光纤布喇格光栅应力传感器的工作原理,设计出一种基于光纤光栅传感器的高速铁路异物侵限监测系统。该异物侵限监测系统实现了分布式测量、实时监测、在线控制等功能,从而有力地保障了列车的运行安全。

光纤布喇格光栅(fbg)是国际上光纤传感技术研究的前沿热点。在恶劣环境下对复杂结构进行变形和健康监测,具有波长编码等明显的其他传感器所没有的特点。将由光纤光栅组成的阵列埋入结构材料内部,可用来监测桥梁、大坝、重要建筑物以及船体、航天器内部的温度、应变、压力及材料结构状态的变化。该文介绍了采用掩模板制作光纤光栅传感器的原理和方法,分析了采用相位掩模法制作的分布式光纤布喇格光栅传感器的灵敏度等测量性能和噪声的随机过程特性,从而为其在船舶结构变形测量技术中的应用提供了科学依据。

为了实现对整个舰艇结构状态长期实时的监控,构建了基于光纤布喇格光栅传感器的监控系统,设计了系统总体硬件电路,给出了系统软件工作流程和寻峰算法流程,并最终完成了对系统的功能验证。经验证,系统实现了多通道同步实时校准的波长解调功能,扫描频率可达4khz,能够快速响应监控状态,可直接进行工程应用。

光纤传感、光纤光栅、光纤光栅传感 光纤传感技术由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤 中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素 （如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从 而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量）， 这就是光纤传感器的基本原理。光纤传感技术的分类光纤传感器可以分为传 感型（本征型）和传光型（非本征型）两大类。利用外界因素改变光纤中光的 特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器， 它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器 是指利用其它敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分 利用现有的传感器，便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、 相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。光纤传感器的特点1、

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。

报道了一种基于偏芯结构的双芯光纤制作的长周期光纤光栅,研究了在这种双芯光纤中写入相同结构的长周期光纤光栅的模式耦合特性,这种双芯结构能够将两个平行的长周期光纤光栅集成在一根光纤中。通过模拟计算发现在光纤圆周横截面不同方位进行曝光,可获得不同的光栅透射谱,通过利用co2激光脉冲曝光方法实现其制备,实验得出了采用单侧曝光方法在偏芯结构的双芯光纤上制备长周期光纤光栅的最佳写入方式。通过理论分析和实验的对比,结果表明,双芯长周期光纤光栅透射谱依赖于在双芯光纤圆周上的曝光方向。

介绍了一种利用光纤f-p滤波器解调的、可同时测量应变及温度两种参数的光纤光栅传感系统。将一个光纤光栅的长度分成相等的两部分,其中一部分的两端固定在一块钢板上,另一部分处于自由状态。根据这两部分光纤光栅对应变及温度的不同感应,实现对应变及温度的同时测量。可利用波分复用技术实现对分布式应变及温度的测量。应变、温度的测量分辨率分别可达1.3με及0.12℃。

为了评估交叉敏感问题,从光纤光栅的传感原理出发,分析了外界环境对传感器性能的影响,讨论了光纤光栅物理参量随温度、应力和压力的变化情况,提出了基于偏振相关特性的光纤光栅磁场传感器方案。利用耦合模理论,仿真分析了温度、应力和压力对传感系统输出的影响。仿真结果证明,该磁场传感方案对温度和应力是不敏感的,而时变的压力会对磁场测量带来严重的影响,恒定压力则会改变传感器的测量灵敏度。

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(sfbg)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。

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。

基于光波导理论与光纤布拉格光栅(fbg)的模式耦合理论,对倏逝波fbg传感器的能量衰减特性进行了分析研究。最后得到了fbg的归一化反射率的表达式,它是外部介质折射率(sri)和fbg纤芯直径的函数。理论仿真显示fbg归一化反射率会随着sri增大和fbg腐蚀程度的加深而减小,呈非线性关系。实验结果也证明增大sri(小于包层介质折射率)或者增大fbg的腐蚀程度都会使光纤纤芯中的传输能量减小,增强倏逝波与外部媒介的相互作用,从而增加传感器的灵敏度。

第37卷，增刊红外与激光工程2008年4月 vol.37supplementinfraredandlaserengineeringapr.2008 收稿日期：2008-03-20 基金项目：国家自然科学基金（50775180），西安理工大学特色研究计划（102-210614） 作者简介：魏颖(1981-)，女，河北蠡县人，硕士，主要研究方向为光电测量技术。email:weiying0312@126.com 导师简介：焦明星(1962-)，男，陕西高陵人，博士，教授，博士生导师、主要研究方向为激光传感与测量技术方面。email:jiaomx@xaut.edu.cn 保偏光纤bragg光栅传感特性的实验研究 魏颖，焦明星

结合光纤bragg光栅在通信与传感领域应用的特性,利用传输矩阵法分析了均匀光栅、啁啾光栅、切趾光栅的反射率、时延特性、边模抑制比和反射带宽示意图。分析得到了不同光栅的特性规律,这些规律对光栅在通信与传感领域应用具有参考的价值。