基于多模干涉和长周期光纤光栅的温度及折射率同时测量

基于多模干涉理论和长周期光纤光栅(LPFG)的传感特性,提出了一种单模-多模-单模(SMS)结构与LPFG级联的光纤传感器,实现了温度和折射率的同时测量。实验结果表明,SMS结构的干涉谱和LPFG对温度和折射率具有不同响应灵敏度,其温度灵敏度分别为0.017nm/℃和0.060nm/℃;SMS结构对折射率不敏感,而LPFG的折射率灵敏度为-35.60nm/RIU(RIU为折射率单位)。因此利用敏感矩阵,实现对温度和折射率的同时测量,得到温度和折射率的最大测量误差分别为±0.59℃和±0.0013。该结构灵敏度高、结构简单,且不易受电磁等干扰。实验结果具有良好的线性度,在生物化学领域应用前景良好。     

带有温度补偿的微流传感器研究

提出一种基于双长周期光纤光栅(LPFG)的边孔光纤微流传感器。该边孔光纤(SHF)内有2个空气孔,是天然的微流体通道,该微流传感器可进行温度补偿。利用CO₂激光器在边孔光纤上写入双LPFG,其共振波长分别为1 268.7 nm和1 385.8 nm。实验结果表明,当传感器置于折射率1.335～1.395的甘油水溶液中,2个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU,温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃,利用折射率和温度灵敏度可推导出传感器的传感矩阵。该文所提出的带有温度补偿的微流传感器具有良好的线性响应度,可实现折射率和温度的同时测量,在环境监测和食品安全领域有潜在价值。     

级联长周期光纤光栅的温度特性研究

对级联长周期光纤光栅(C-LPFG)的温度敏感特性进行了理论和实验研究。讨论了C-LPFG的谐振波长温度灵敏度与包层模的阶次、光纤光栅周期的关系,进行了20～80℃温度传感实验,实验结果表明,谐振波长与温度成线性响应,升降温数据的重复性比较好,测得其谐振波长温度灵敏度为0.250 1nm/℃、而相同参数的LPFG所测得的谐振波长温度灵敏度为0.131nm/℃。表明,C-LPFG的温度灵敏度远高于同样参数的LPFG。     

基于Lyot滤波器和长周期光纤光栅的温度与应变的同时测量

提出了一种基于光纤干涉原理的同时测量温度和应变的传感器,通过在Lyot滤波器(LFF)中熔接一段长周期光纤光栅(LPFG)构成。其中LFF由在起偏器(PL1)和检偏器(PL2)中嵌入一段保偏光纤(PMF)构成。实验结果表明,LFF的干涉谱和LPFG的谐振峰对温度和应变有不同的响应灵敏度,因此可利用敏感矩阵实现对温度和应变的同时测量。实验测得LFF和LPFG的温度灵敏度分别为-1.3173nm/℃和0.0604nm/℃,应变灵敏度分别为-0.0185nm/με和-0.0004nm/με。温度和应变的测量精度分别为±1℃和±25με。该系统采用线性结构,结构简单、易于实现,具有较高的灵敏度和稳定性,同时测量结果具有良好的线性度。     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。     

基于M-Z滤波和LPFG的液体折射率传感特性研究

利用飞秒激光逐线刻写方式在HI1060光纤中制作谐振波长为1548.5 nm,谐振强度为7 dB,栅区长度为3.2 mm的长周期光纤光栅。通过纤芯错位熔接方法在HI1060光纤中制作马赫曾德-干涉仪(MZI),对LPFG的透射光谱进行滤波优化。设计使用不同折射率的酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液分别对基于MZI滤波的LPFG的折射率特性进行了测试和研究。实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在酒精溶液、氯化钠溶液和蔗糖溶液中的折射率灵敏度分别为301.78 nm/RIU、138.80 nm/RIU和132.67 nm/RIU。     

基于双LPFG解调的高灵敏度振动检测系统

基于边缘滤波解调原理,提出了一种利用双长周期光纤光栅（LPFG）解调光纤布拉格光栅（FBG）振动传感信号的新方法。利用传输光谱叠加后的双LPFG作为边缘滤波器,增大了FBG传感信号解调灵敏度。静态实验结果表明,利用单、双LPFG作为滤波器解调的灵敏度分别为-1．1965dB／nm和-2．4836dB／nm,双LPFG解...     

飞秒直写长周期光纤光栅及其液体折射率特性研究

利用800 nm飞秒激光在未经载氢处理的HI1060光纤中制作了长周期光纤光栅(LPFG).采用逐线刻写方式实现了谐振波长为1 548.4 nm的LPFG,谐振强度为12 dB,栅区长度小于4 mm.使用不同折射率的氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液分别对LPFG的折射率特性进行了测试和研究.实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液中的折射率灵敏度分别为175.34、175.31和331.89 nm/RIU.实验结果表明,这种基于飞秒激光制作的LPFG对液体折射率变化有较高的灵敏度,可用于液体折射率传感测试.     

半腐蚀长周期光纤光栅光谱特性研究

基于长周期光纤光栅(LPFG)包层有效折射率与包层半径的良好相关性,提出一种半腐蚀长周期光纤光栅的新颖设计。将一根长周期光纤光栅分成等长的两部分,用HF酸腐蚀其中的一半区域,此时整根LPFG可看成具有不同谐振波长的两个半长度LPFG的级联。利用传输矩阵方法和三层介质光纤模型的色散方程分析了该种LPFG的光谱特性:随着腐蚀段包层半径的减小,两个分裂峰谐振波长之间距离增大,且模式越高间距越大。同时实现了应变和温度的同步测量,得到应变和温度的传感精度分别为±8.9με和1.4℃。因此半腐蚀LPFG传感器可为解决LPFG交叉敏感问题提供有效方法。     

一种新型光纤光栅温度传感特性的实验研究

研制出一种具有微结构缺陷的新型光纤光栅,并对其温度特性进行了实验研究。该光栅是利用不同浓度的氢氟酸溶液对光纤布拉格光栅进行选择性刻蚀得到的,刻蚀区域改变了光纤的局部有效折射率,引入附加相移从而形成两个谐振峰。实验研究结果表明该新型光栅具有不同的温度灵敏系数,在20℃~90℃的温度范围内,随温度升高两谐振峰波长分别向长波方向移动了0.8127 nm和0.7329 nm,其温度灵敏系数分别为0.01161 nm/℃和0.01047 nm/℃,线性拟合度分别为0.991和0.998,新型光纤光栅两谐振峰随温度的变化呈现良好的线性关系。     

Spectral shape tunable band-rejection filter using a long-period fiber grating with divided coil heaters

We have developed a new type of tunable band rejection filter, which provides high spectral-shaping flexibility in a wide tuning range. The filter consists of a long-period fiber grating (LPFG) with divided coil heaters. Each of the divided coil heaters is controlled individually to adjust a temperature distribution along the LPFG and to modify the spectral shape of the LPFG filter. The tunable band rejection filter is demonstrated to function properly when applied as an erbium-doped fiber amplifier gain-flattening filter.     

Gain-flattening filter using long-period fiber gratings

We propose a novel structure for a gain-flattening filter, in which a conventional long-period fiber grating (LPFG) and a phase-shifted LPFG are written closely. The transmission characteristics are investigated in the case of a closely arranged configuration. For the fabrication of a phase-shifted LPFG, a UV-trimming method to control the amount of the phase shift is examined theoretically and experimentally. Finally, a 67-mm-long LPFG gain-flattening filter designed for an erbium-doped fiber amplifier is fabricated and the measured spectrum is shown     

三包层级联长周期光栅的传输谱特性

运用传输矩阵法对三包层级联长周期光纤光栅(LPFG)的传输谱特性进行分析,讨论了级联处光纤的长度、位置以及薄膜参数等对级联光栅传输谱的影响,并对级联长周期光栅和相移长周期光栅的传输谱进行了比较.结果表明两者传输谱在级联光纤长度较小或级联位置靠近光栅两端时具有较强的一致性;而在级联处光纤较长并且级联位置在中间时,两者表现出截然不同的特性,这一点和两包层级联光栅一致.另外,薄膜参数可以更灵活地调节传输谱衰减峰位置和峰值损耗的大小.     

Temperature-sensitive mechanical LPFG using contractive force of heat-shrinkable tube

A novel temperature-sensitive mechanical long period fiber grating (LPFG) fabricated utilizing the photo-elastic effect is proposed. Our proposed LPFG consists of a telecommunication optical fiber, a metric screw, and the heat-shrinkable tube, which are commercially available. The heat-shrinkable tube and the metric screw are used to obtain the grating along the single-mode fiber. The gratings are achieved by pressing the optical fiber between the heat-shrinkable tube and the metric screw due to the contractive force of its tube. By changing the temperature, the resonance loss is tuned due to the thermal expansion of the heat-shrinkable tube. Operating mechanism of thermally tunable characteristics of our LPFG are also described from a viewpoint of the coupling coefficient.     

长周期光纤光栅温度传感器的研究进展

长周期光纤光栅（LPFG）具有与短周期光纤光栅所不同的光谱特性。它无背向反射光谱,不对光源的稳定性产生影响。基于纤芯基模与包层模的谐振耦合原理和热光效应,LPFG温度传感器利用谐振波长的漂移变化实现对温度的测量,具有很高的灵敏度。介绍了LPFG的制作方法、LPFG温度传感器的工作原理及最新研究进展。由于具有插入损耗小、可用于遥测、精度高和抗电磁干扰能力强等优点,LPFG温度传感器将有广阔的应用前景。     

Effects of cladding radius on the optical characteristics of long-period fiber gratings

Using three-layer vector field model,the dispersion characteristics and spectral response of long-period fiber gratings（LPFGs）with different cladding radii are analyzed.Both the numerical and experimental results demonstrate that LPFG＇s resonant wavelengths shift towards much longer wavelength and the transmission depth is strengthened significantly by decreasing cladding radius.When the cladding radius is less than 20μm,only a single resonant peak over a wavelength range of 600 nm（from 1200 nm to 1800 nm）is achieved,and the sensitivity of LPFG to external refractive index is enhanced significantly.     

一种基于LPFG高灵敏度浓度传感器

利用Sagnac光纤环全反射的特性和单根长周期光纤光栅(LPFG)构成Michelson干涉仪,入射光经LPFG后,部分被耦合到包层中传输,经过包层和纤芯传输的光信号经Sagnac光纤环全反射后重新耦合回LPFG,在光栅区域干涉。利用传输矩阵理论分析了干涉结构的光谱特性。用此干涉结构检测了蔗糖溶液浓度,传感灵敏度可达0.065 nmLg-1。     

强度解调的光纤光栅智能结构动态监测技术

将长周期光纤光栅(LPFG)粘贴于试件上构成光纤光栅型智能结构,研究了当试件受到垂直周期力载荷而发生弯曲并随之振动时LPFG的动态响应特性.利用光纤布拉格光栅(FBG)的反射特性获得确定波长处的窄带光作为LPFG的入射光源,通过对固定波长处的光功率探测,实现对试件从2～2 000 Hz范围内的振动监测.由实验采集到的振动信号时域波形及其频谱表明,基于弯曲的LPFG振动传感器具有很好的动态响应特性,其频谱与激振信号频率完全吻合,能够应用于智能材料与结构的健康监测.     

新型长周期光纤光栅的扭曲特性研究

发现高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅（LPFG）具有独特的扭曲特性：1）扭曲特性具有明硅的扭曲方向相关性——顺时针扭曲时谐振波长发生“红”移，逆时针扭曲时谐振波长发生“蓝”移，无论顺时针还是逆时针扭曲损耗峰幅值都近似线性减小；2）若被扭曲的光纤比被扭曲的长周期光纤光栅长得多，则扭曲时长周期光纤光栅谐振波长和幅值的变化出现周期性的起伏。利用扭曲光栅引起椭圆双折射进而导致偏振态变化的相关理论合理解释了这些独特的扭曲特性。     

Optical fiber sensor by cascading long period fiber grating with FBG for double parameters measurement

An optical fiber sensor for strain and temperature measurement based on long period fiber grating (LPFG) cascaded with fiber Bragg grating (FBG) structure has been proposed and realized both theoretically and experimentally. Theoretical analysis shows that two microstructures with similar sensitivities cannot be used for double parameters measurement. The LPFG is micromachined by the CO2 laser, and the FBG is micromachined by the excimer laser. For the validation and comparison, two FBGs and one LPFG are cascaded with three transmission valleys, namely FBG1 valley at 1 536.3 nm, LPFG valley at 1 551.2 nm, and FBG2 valley at 1 577.3 nm. The temperature and strain characteristics of the proposed sensor are measured at 45—70 °C and 250—500 με, respectively. The sensitivity matrix is determined by analyzing wavelength shifts and parameter response characterization of three different dips. The proposed optical fiber sensor based on LPFG cascaded with FBG structure can be efficiently used for double parameters measurement with promising application prospect and great research reference value.