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)對折射率與溫度同時測量的理論模型,分析其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對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制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時會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)計并制作一個單端腐蝕fbg,進行相應(yīng)實驗研究,實驗結(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算其纖芯直徑和折射率的方法.實驗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,來計算同時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.

亞波長直徑微納光纖強倏逝場傳輸?shù)墓鈱W特性,使其對周圍介質(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)合微納光纖倏逝場傳輸和光纖布拉格光柵(fbg)強波長選擇的特性來實現(xiàn)高精度折射率傳感,對其制備可行性進行了討論.論文中對mnfbg折射率傳感機理進行了深入的理論分析,并使用optigrating軟件進行了數(shù)值模擬,模擬數(shù)據(jù)顯示mnfbg折射率測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靈敏度可達到993nm/riu,相比于包層蝕刻的fbg靈敏度增加了170倍,說明mnfbg對發(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應(yīng)的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應(yīng)的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應(yīng)的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來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)光柵功率檢測的折射計中不同設(shè)計參數(shù)對折射計性能的影響。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,折射計的感應(yīng)范圍向折射率較小的方向移動。隨著光柵長度以及折射率調(diào)制強度的增大,折射計的靈敏度增大,但折射率感應(yīng)范圍不變。同時這種折射計具有偏振依賴性,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。實驗中,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。實驗結(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。

實驗研究了側(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)力對溫度交叉敏感的簡單而又有效的方法,從理論和實驗上進行了分析與驗證。研究表明,對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)力對它的交叉敏感,實現(xiàn)對溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實驗中測得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對變化的溫度校正了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,特別是帶邊比較陡峭時。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)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時,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,光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個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。實驗結(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)方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點。

提出了一種基于fpga與dsp平臺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)波長計算等關(guān)鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結(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,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低等優(yōu)點,但易受光源抖動及系統(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)進行了改進。改進系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進系統(tǒng)對溫度進行監(jiān)測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結(jié)果表明改進系統(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,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數(shù)學推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。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擾,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)損耗和差分群時延隨波長變化曲線.實驗測出了不同溫度下反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時延隨波長變化曲線.根據(jù)實驗結(jié)果對偏振相關(guān)損耗和差分群時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)損耗無明顯差異.差分群時延最大值隨溫度增加成線性向長波方向漂移,證明了光纖光柵正交模損耗變化的等同性.綜合理論分析與實驗結(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濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現(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。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進行處理。實驗結(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,分析了鍍nifbg溫度變化時的應(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驗進行了驗證,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在溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變進行了仿真。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/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗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漂移。通過檢測兩個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、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;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橋測量結(jié)果與計算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現(xiàn)加載過程的實時連續(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)特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關(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)變雙參量同時測量時,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)學公式.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行了溫度和應(yīng)變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時,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償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于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)變實驗中,線性度均達到了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。

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行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實驗表明,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39.00525pm/mm.實驗結(jié)果對發(fā)展微型、實時、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.