FBG湿度传感特性的研究

在研究光纤布拉格光栅（FBG）传感器的基础上,分析了FBG的湿度传感特性。以聚酰亚胺（PI）薄膜为湿敏涂覆层的FBG,当湿度升高时,由于涂覆层的膨胀,导致FBG因应变而增长,使布拉格波长发生变化,从而实现对湿度传感。实验结果表明,PI薄膜涂覆的FBG是一种性能很好的湿度传感元件。     

Yb3+:LuLiF4晶体激光制冷的热负载管理

为了研究Yb3+:LuLiF4晶体在反Stokes荧光制冷过程中的热负载管理机制，开展了在常压（1.0105 Pa）和高真空（2.510-3 Pa）状态下的激光制冷实验。掺杂浓度为5 mol%的样品由两根光纤支撑，被放置在真空状态不同的腔体内。利用波长1 020 nm，功率3 W的激光激发样品。在常压下，样品温度相对室温下降了△T12 K；在高真空下，△T26 K。对于常压状态，空气热对流负载约11.23 mW，光纤热传导负载约0.03 mW，腔体热辐射负载约4.8 mW。对于高真空状态，空气热对流负载约0.03 mW，光纤热传导负载约0.07 mW，腔体热辐射负载约10.4 mW。实验结果表明，当腔体压强由-105 Pa降至-10-3 Pa时，空气热对流负载几乎忽略不计，而腔体热辐射负载则成为作用在制冷样品上最主要的热负载。     

光纤Bragg光栅温度传感滞后性研究

设计并建立了光纤Bragg光栅(FBG)温度传感实验装置,在20～260℃温度范围内对掺Ge单模FBG进行温度传感性能测试。通过比较升温与降温过程各相同温度点FBG中心反射漂移差,发现FBG对温度响应具有滞后性,滞后时间随温度的升高而减小。理论系统分析了滞后原因及规律,并提出了解决方法。     

用于测量折射率的光纤迈克尔逊干涉型传感器

提出了一种基于单模光纤-四芯光纤-薄芯光纤(SMF-FCF-TCF)迈克尔逊干涉结构的折射率传感器。采用直接熔接的方式将各光纤进行熔接,由于各光纤之间纤芯的直径不匹配,因此在光纤的熔接处会发生光的激发和耦合。薄芯光纤端面涂覆有一层银面反射膜并用紫外固化胶进行保护来增强光在端面的反射率。四芯光纤作为传感结构中的耦合器,激发了更多的光进入薄芯光纤的包层中,提升了传感器的灵敏度。对传感器的折射率和温度传感特性分别进行了实验探究,实验结果表明,在折射率1.3333~1.3794范围内的灵敏度为137.317 nm/RIU,线性度为0.999,并且温度对传感器的影响较小。该传感结构熔接方式简单,在折射率测量领域具有一定的应用前景。     

窄线宽LD泵浦双包层光纤激光器

报道了LD泵浦的窄线宽双包层光纤（DCF）激光器，从理论和实验数值模拟了激光输出功率对输出镜反射率，光纤长度和吸收泵浦功率的依赖关系，进而进行了实验，实验中选用光纤布拉格光栅（FBG）作为输入腔镜，利用光纤端面菲涅耳反射作为输出腔镜，得到了窄线宽的单模激光输出。最大输出功率421mW，斜率效率78.2%，激光中心波长1086.92nm，谱线宽度0.16nm。     

基于MSM结构的表面等离子体共振光纤折射率传感器

基于表面等离子体共振(SPR)效应,设计了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构的光纤折射率传感器。采用光纤熔接的方式构成MSM结构,并且在单模光纤的表面涂覆二氧化钛/银(TiO2/Ag)复合膜构成传感单元。利用FDTD Solutions仿真分析了单模光纤长度与金属膜厚度对传感器性能的影响。结果表明:单模光纤长度越长,共振深度越深;TiO2/Ag复合膜中Ag膜厚度为50nm,TiO2膜厚度为20nm时,传感器性能最优,在1.33~1.41环境折射率范围内,传感器的灵敏度约为6 875nm/RIU。实验结果表明该光纤折射率传感器结构制作工艺简单、灵敏度高。     

基于光纤光栅法布里-珀罗腔的高效窄线宽光纤激光器

报道了采用双光纤光栅(FBG)法布里-珀罗(F-P)腔选模的线形腔结构窄线宽光纤激光器。激光器以高掺杂Er~(3 )光纤为增益介质,利用全光纤型法拉第旋转器(FR)抑制空间烧孔效应,通过两个短光纤光栅法布里-珀罗腔选模,产生了稳定的1534．83 nm单频激光输出。激光器采用两支976 nm单模激光二极管(LD)抽运,两端输出。激光器阈值抽运光功率为12 mW,在总抽运光功率为145 mW时总输出信号光功率为39．5 mW,单端最高输出信号光功率为22 mW。光-光转换效率为27％,斜率效率为29．7％。随着抽运功率的增加,激光器输出功率趋于饱和。采用延迟自外差方法精确测量光纤激光器线宽,实验中使用了15 km单模光纤延迟线,由于测量精度的限制,得到激光器的线宽小于7kHz。这种光纤激光器具有输出功率高、线宽窄、信噪比高的特点,可用于高精度的光纤传感系统。     

基于磁流体的干涉型光纤温度与磁场双测量传感器

将一种基于磁流体包覆的单模-大芯径多模光纤-单模-单模错位熔接(SMSS)构成的马赫-曾德干涉仪(MZI)和光纤光栅(FBG)相结合,利用磁流体的磁致折变效应和光纤光栅的温度灵敏特性,实现了低成本的温度与磁场双测量.利用光束传播法模拟分析了传感结构的内部光场,确定多模光纤的选型,熔接并制作了传感结构,建立敏感矩阵,实现温度与磁场的同时测量.实验测试结果表明,该传感结构的磁场与温度灵敏度分别为15.9 pm/Oe和-161.7 pm/℃.     

基于BOTDA的分布式光纤高温传感研究（特邀）

基于布里渊光时域分析（Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA）测量技术分别研究了单模光纤、光子晶体光纤和镀金光纤在1100 ℃、1200 ℃和1000 ℃的高温传感特性,通过对石英光纤的布里渊频移（Brillouin frequency shift, BFS）跳跃现象和涂覆层燃烧现象进行研究,指出石英光纤均需要退火才能够达到热稳定状态。退火后,三种光纤的布里渊频移随温度呈非线性变化。其中,单模光纤和光子晶体光纤高温状态下涂覆层气化,二氧化硅发生晶化导致其机械强度大幅下降,因此仅能作为一次性高温传感器;镀金光纤由于金涂层具有较高的熔点和良好的气密性,高温退火后仍然能够保持良好的机械强度,因此可以作为一种重复使用的高温传感器。该研究有望为高温传感应用（如涡轮发动机内部温度监测）提供一种技术参考。     

混合调Q包层抽运光纤激光器

介绍了一种混合式调Q双包层掺Yb3+光纤激光器.激光器由LD抽运源、光纤Bragg光栅(FBG)、双包层掺Yb3+光纤和一段普通单模通信光纤组成.抽运源为大功率多模半导体激光器(LD),带有直径400 μm的输出尾纤,输出中心波长为975.8 nm,可输出1 Hz～10 kHz的脉冲激光.LD通过光纤Bragg光栅抽运掺Yb3+双包层光纤(DCF).光纤Bragg光栅反射的中心波长为1086.92 nm,反射率98%,线宽0.2 nm.抽运光经过光纤光栅耦合到双包层光纤中.双包层掺Yb3+光纤为俄罗斯普物所的产品,其芯径7 μm,数值孔径0.5,内包层为矩形结构(125 μm×125 μm).普通单模通信光纤中的背向受激Brillouin散射以极短(1 ns)的弛豫振荡脉冲形式给激光谐振腔提供很强的反馈.它不仅起到腔反馈的作用,而且产生一个纳秒量级的窄脉冲. 实验中当不接入单模光纤(利用光纤端面4%菲涅耳反射作为反馈),只利用抽运源脉冲抽运调Q时,可获得峰值功率50 W,脉冲宽度为10 s的调Q脉冲序列.当接入单模光纤混合调Q后,可观察到大约2 ns的巨脉冲输出,此时脉冲不稳定.当单模光纤输出端反馈被抑制后,可以得到稳定的巨脉冲输出.脉冲宽度1.6 ns,重复率由抽运光信号频率决定,在1 kHz～10 kHz之间时可观察到稳定的巨脉冲输出,最大脉冲峰值功率为5 kW.(OB4)     

Light intensity-referred and temperature-insensitive fiber Bragg grating dynamic pressure sensor

Temperature-insensitive fiber Bragg grating (FBG) dynamic pressure sensing based on reflection spectrum bandwidth modulation and differential optical power detection is proposed and experimentally demonstrated. A special double-hole cantilever beam is designed to induce linear strain-gradient distribution along the sensing FBG, resulting in FBG reflection spectrum symmetrical broadening and optical power increase.Based on the theory of optical waveguide and material mechanics, the causation of FBG spectrum broadening under the linear strain-gradient is analyzed, and the corresponding force-to-bandwidth broadening relation and force-to-optical power relation are formulized. FBG spectrum bandwidth and reflection optical power linearly change with applied pressure and both of them are insensitive to spatially uniform temperature variations.For a temperature range from -10℃ to 80℃, the measured pressure fluctuates less than 1.8% F.S.(120 kPa) without any temperature compensation. The system acquisition time is up to about 80 Hz for dynamic pressure measurement.     

Temperature sensing capacity of fiber Bragg grating at liquid nitrogen temperature

According to the temperature sensing model of the fiber Bragg grating (FBG), a theoretical method of temperature sensing capacity of FBG is proposed. Based on the temperature sensing model of FBG, a temperature sensing experiment was completed at liquid nitrogen temperature (-196℃). The theoretical and experimental results were compared and analyzed, which show that at liquid nitrogen temperature or in a large-scope temperature sensing, the relationship between thermal variation △T and relative shift of reflected center wavelength △λB/λB of FBG is nonlinear and conic multinomial.     

光纤光栅液体双参量传感器增敏设计

为了解决现有光纤布喇格光栅(FBG)传感器温度与压力灵敏度低的问题,设计了一种基于FBG的薄壁圆筒式液体温度与压力传感器.选用具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢304和铍青铜C17200分别对传感器进行封装,采用有限元分析法对传感器进行压力和温度特性仿真分析,研究了敏感元件材料及尺寸大小对灵敏度的影响,并分...     

光纤布拉格光栅压力增敏的实验研究

近年来光纤光栅作为压力、温度、应变等传感器已经成功地应用于光纤传感领域中。然而裸露的光纤光栅对于外界物理参量的变化灵敏度不高,因此有必要对光纤光栅进行增敏封装,以提高其对外界环境变化的灵敏度。采用两种聚合物材料均匀混合,将其对布拉格光纤光栅进行封装。在23℃情况下对封装后的光栅进行了压力实验,实验表明用两种聚合物封装后的光栅对压力有很高的灵敏性,在0～10MPa范围内压力灵敏度为-122×10-4MPa,是裸光栅压力灵敏度的62倍     

Dual functional performance of fiber Bragg gratings coated with metals using flash evaporation technique

Metallic and other type of coatings on fiber Bragg grating (FBG) sensors alter their sensitivity with thermal and mechanical stress while protecting the fragile optical fiber in harsh sensing surroundings. The behavior of the coated materials is unique in their response to thermal and mechanical stress depending on the thickness and the mode of coating. The thermal stress during the coating affects the temperature sensitivity of FBG sensors. We have explored the thermal response of FBGs coated with Al and Pb to an average thickness of 80 nm using flash evaporation technique where the FBG sensor is mounted in a region at room temperature in an evacuated chamber having a pressure of 10^?6 Torr which will minimize any thermal stress during the coating process. The coating thickness is chosen in the nanometer region with the aim to study thermal behavior of nanocoatings and their effect on FBG sensitivity. The sensitivity of FBGs is evaluated from the wavelengths recorded using an optical sensing interrogator sm 130 (Micron Optics) from room temperature to 300 °C both during heating and cooling. It is observed that the sensitivity of the metal coated fibers is better than the reference FBG with no coating for the entire range of temperature. For a coating thickness of 80 nm, Al coated FBG is more sensitive than the one coated with Pb up to 170 °C and it reverses at higher temperatures. This point is identified as a reversible phase transition in Pb monolayers as the 2-dimensional aspects of the metal layers are dominant in the nanocoatings of Pb. On cooling, the phase transition reverses and the FBGs return to the original state and for repeated cycles of heating and cooling the same pattern is observed. Thus the FBG functions as a sensor of the phase transitions of the coatings also.     

边孔光纤光栅的传感特性

报道了一种新型边孔光纤及边孔光纤光栅的研究结果。采用有限元法分析了边孔光纤内部的应力分布和双折射数值,并通过波长扫描技术对其双折射进行了测量,理论计算和实验测量结果表明双折射数值达到4×10-5。根据边孔光纤光栅两反射峰偏振态相互正交的特性,提出了一种基于偏振检测的波长检测方案对边孔光纤光栅的传感特性进行了测量。结果表明两峰中心波长间隔随温度变化的灵敏度仅有0.05 pm/℃,是普通单模光纤光栅温度灵敏度的1/184。提出了一种基于横向荷载压力增敏的新型边孔光纤光栅封装装置,使边孔光纤光栅双峰间距的压力灵敏度从5.6 pm/MPa增加到119.14 pm/MPa,增敏21倍,实现了温度不敏感的高灵敏度压力传感。     

光纤光栅无应力毛细铜管封装及温度特性实验

为克服裸光纤布拉格光栅(FBG)脆弱易折断的缺点,提出了一种聚合物和毛细铜管相结合的封装工艺。先用丙烯酸酯对栅区进行二次涂覆,再将二次涂覆后的FBG封装在毛细铜管内,FBG在毛细铜管内处于有余长无应力状态,二次涂覆为裸FBG提供了有效的保护。测试结果表明,二次涂覆并没有改变FBG的温度灵敏度;较薄的涂覆厚度保证了涂覆的均匀性和涂覆后光谱的质量;无胶空管封装方式消除了聚合物内部应力对温度测量精度的影响。封装后的温度特性实验表明,FBG传感器线性度为0.999 29,温度灵敏度为13.675pm/℃,重复性较好。     

温度影响光纤光栅传感器性能蜕化机理及实验研究

结构健康监测中,光纤布拉格光栅(FBG)传感器性能蜕化将会严重影响整个监测系统的稳定性和准确性。而高温、高压等恶劣条件,均可能导致FBG传感器性能蜕化。基于光纤光栅传感器温度传感原理,分析了温度引起光纤光栅传感器性能蜕化的机理,并通过软件仿真和相应温度循环实验,分别考察了温度对不同FBG传感器性能蜕化的影响。实验结果表明,温度对FBG传感器性能蜕化的影响与FBG传感器自身质量参数有关。对于普通FBG传感器,随着温度循环次数增加,反射光谱峰值逐渐降低;而对于刻写完成后,光纤中仍含有少量氢分子的FBG传感器,随着温度循环次数增加,反射光谱不仅峰值逐渐降低,而且中心波长逐渐发生蓝移。     

具有温度补偿的LPFG功率解调系统的设计与实现

传统的利用光纤Bragg光栅(FBG)反射光作为长周期 光纤光栅(LPFG)入射光的解调方式,无法避免温度的影响。本文提出了一种具有温度补偿功 能的LPFG功率解调方案,将FBG的Bragg波长由压电陶瓷(PZT)的驱动电压控制,使得FBG谐振 波长始终跟随LPFG谐振波长, 以此抵消温度对传统功率解调中的影响。这种解调方案适用于LPFG透射光谱随物理量变化谱 形也发生变化的传感,如微 弯、横向负载等特性。利用本系统对LPFG的横向负载特性进行试验,结果表明,采用此解调 方案获得的实验数据具有与 光谱仪相同的功率变化趋势,能够始终监测LPFG的谐振峰幅值,实现温度补偿的功率解调, 更适合于动态解调。对LPFG 的温度特性进行功率解调实验,结果也验证了解调系统具有温度补偿功能。