用于高精度测量位移等参量的光纤多波长激光器

本文研究并实验了光纤单波长激光器、光纤双波长激光器、以及光纤三波长激光器,分别发出单波长、双波长、以及三波长激光,分别用于对位移、台阶高度、绝对距离等参量的高精度干涉测量。利用光纤光栅只反射布拉格波长的特性,将光纤光栅作为光纤激光谐振腔的反射镜和波长选择元件,可以使光纤激光器具有单个或者多个独立的但光程重叠的激光谐振腔,每个激光谐振腔有掺铒光纤作为增益介质。980nm激光的泵浦下,光纤多波长激光器分别发出单波长、双波长、以及三波长激光,每个波长值可以根据需要确定,两个波长之间的间隔也可以根据需要确定。光纤多波长激光器发出的多波长之间无模式竞争,每个波长的功率和频率都稳定。每个波长的稳定度达10-7,能够满足对位移、台阶高度、绝对距离进行高精度干涉测量的要求。     

光纤光栅中心波长与设计波长偏移量对外腔LD的影响

本文在三腔镜模型近似的情况下,利用等效腔模型,完成了光纤光栅外腔半导体激光器（FBG-ECL）的理论建模。利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating）相关理论,对FBG-ECL模型进行了修正,着重考虑了光纤Bragg光栅的折射率分布、中心波长偏移以及边模抑制比对FBG-ECL性能的影响。对FBG-ECL的等效反射率、阈值增益和线宽特性进行了数值分析。结果表明,在考虑光纤Bragg光栅中心波长与设计波长偏移量、光栅反射率分布以及边模抑制比后,等效腔理论模型更加符合实际情况,使得可以更加符合实际情况地分析光纤光栅外腔半导体激光器相关特性,并且对设计应用于FBG-ECL的光纤光栅有一定的指导意义。     

光纤光栅反射率分布对外腔半导体激光器的影响

在三腔镜近似的条件下,利用等效腔模型,完成了光纤光栅外腔半导体激光器(FBGECL)的理论建模。利用光纤布拉格光栅相关理论,对FBG-ECL模型进行了修正,着重考虑了光纤布拉格光栅的反射率分布、中心波长偏移以及边模抑制比对FBG-ECL性能的影响。对FBG-ECL的等效反射率、阈值增益和线宽特性进行了数值分析。结果表明,在考虑光纤布拉格光栅中心波长与设计波长偏移量、光栅反射率分布以及边模抑制比后,等效腔理论模型更加符合实际情况,可以更为准确地分析实际情况中FBG-ECL的相关特性,对设计应用于FBG-ECL的光纤光栅有一定的指导意义。     

机械感生长周期光纤光栅的可调谐环形光纤激光器

将采用机械感生法写制的长周期光纤光栅(MLPFG)串入环形腔中,设计了一种新颖的L波段可调谐环形掺铒光纤激光器(EDFL)。抽运光源为980nm半导体激光器,使用掺铒浓度为5×10-4,长度为12m的铒纤作为增益介质,通过调整待写制光纤与周期性压力槽之间的夹角,改变MLPFG的写制周期,调谐MLPFG透射谱,进而影响环形腔增益最高点,光纤激光器波长可调谐范围可达42nm(1562.465～1604.280nm),激光光谱3dB带宽0.04nm,20dB带宽0.08nm,边模抑制比45dB。长时间观测表明,激光功率稳定性优于0.2dBm。实验显示,该光纤激光器具有带宽较宽,线宽较窄及性能稳定等特点。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

光纤光栅压力传感器实验研究

文中提出了一种新颖的光纤布拉格光栅压力传感器,它是利用光纤布拉格光栅(FBG)对应变的传感特性,将光纤布拉格光栅粘贴于C型压力弹簧管上的特定位置,通过光纤布拉格光栅反射波长的变化,来实现对压力的测量。该传感器灵敏度的实验值和理论值分别为0.671nm/MPa和0.791nm/MPa,且具有很好的线性度,迟滞很小,有一定的发展前景。     

基于光纤布拉格光栅(FBG)原理的三坐标测量机测头结构

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的三维测头。FBG的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器,布拉格波长方程为λB=2neΛ。外界应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期Λ和纤芯折射率ne,并且FBG对轴向应变特别敏感。本测头采用三根竖直放置均布于圆柱面内的FBG,FBG的上端固定在一个固定架上,下部与一个支架连接。支架通过三根钼丝悬挂在内,测杆也固定在这个支架的中心,支架能够随测针一起自由偏摆。测杆与被测件接触时发生偏转,支架把偏摆量转化为对FBG的轴向应变,从而使FBG的布拉格波长变化。本测头传感系统采用匹配光纤光栅滤波的解调方式,选用四根参数一样的光纤光栅(其中三根做传感光栅,一根做参考光栅)。宽带光源经过耦合器进入传感FBG,从传感FBG反射的光经过耦合器进入匹配FBG,用高精度探测器测量匹配光栅的反射能量。当测杆偏摆时,传感FBG的布拉格波长受应变的影响而变化,从而使参考光栅反射的能量发生变化。本文主要介绍这种自主研发测头的结构分析,传感系统。     

808nm和980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

为提高半导体激光器输出光功率,可将多个半导体激光器输出光束耦合成一束激光直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体激光源的亮度及光束质量.本文采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出.介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计了耦合器件,并自行设计光学系统对光束进行扩束聚焦.实验将808 nm和980 nm两半导体激光迭阵光束通过上述技术进行合束, 最终实现了更高功率输出,耦合效率达70%,光斑大小为3 mm×3 mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合的要求.     

基于石墨烯可饱和吸收体的掺铒光纤环形腔脉冲激光器

利用新型材料石墨烯作为可饱和吸收体,设计了用于光纤通信和材料加工的环形腔结构脉冲光纤激光器,实验研究了石墨烯可饱和吸收产生脉冲输出的原理以及输出脉冲激光的特性.通过激光诱导沉积法将石墨烯材料转移到光纤端面并将其置于环形激光腔结构中;采用974 nm半导体激光器作为抽运源,掺铒光纤作为增益介质,调节偏振控制器的角度得到了稳定的锁模输出脉冲.获得的锁模脉冲中心波长为1 560.1 nm,重复频率为7.89 MHz,脉冲光谱3 dB带宽为0.27 nm,脉冲宽度为14.7 ps.实验显示,由于石墨烯具有良好的可饱和吸收性能,损伤阈值比较高,有望取代单壁碳纳米管成为一种新型的激光锁模材料.     

基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率

利用单模光纤(SMF)中的包层模与纤芯导模之间的干涉,提出了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构与布拉格光栅(FBG)级联可同时测量温度和折射率的传感器.基于MSM结构的干涉谱和FBG的透射峰对温度和折射率具有不同响应灵敏度的特点,利用敏感矩阵实现了对温度和折射率的同时测量.实验测得MSM结构和FBG的温度灵敏度分别为0.055 2 nm/℃和0.015 8 nm/℃,MSM结构的折射率灵敏度为109.702 nm/RIU,而FBG对折射率变化不敏感.温度和折射率的测量精度分别为士0.32℃和士0.002 3.实验显示提出的MSM结构的温度灵敏度比单模-多模-单模(SMS)结构传感器提高了5倍,同时由于SMF中的包层模对外界环境的变化较敏感,该MSM结构也可应用于其他传感领域.     

Application of Fabry-Pérot and fiber Bragg grating pressure sensors to simultaneous measurement of liquid level and specific gravity

An approach is proposed for obtaining simultaneous measurements of the level and specific gravity of a liquid using a dual-pressure-sensor system comprising a fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor and a Fabry-Pérot (FP) pressure sensor. In the FBG sensor, the pressure is derived from the FBG wavelength shift induced when the sensor is immersed in the liquid. Meanwhile, in the FP sensor, the pressure is calculated from the change in cavity length which takes place when the sensor is immersed. The advantageous concept of the dual-pressure-sensor system is atmospheric pressure compensation. The experimental results show that the FBG and FP pressure sensors have sensitivities of 0.1495 nm/kPa and 0.1569 μm/kPa, respectively. Analytical formulae are derived for the level and specific gravity of the liquid in terms of the FBG wavelength shift, the change in cavity length, and the vertical separation distance between the two sensors.     

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。     

一种基于光纤光栅的非接触式转速测量方法

提出了一种基于光纤光栅的非接触式转速测量方法。将永磁体与磁性材料之间距离-磁力的关系应用于转速传感中从而实现了非接触式转速测量,使用光纤光栅作为传感器件克服了电子类和光学类转速传感器抗电磁干扰能力差、对测量环境要求高的缺点。实验证明该方法是可行的。     

OLCR技术实现光纤Bragg光栅分布式非均匀应变测量

FBG测量非均匀轴向应变时,反射波谱形状改变,无法用测量Bragg波长的方法来解调。光学低相干技术（OLCR）是解决这个问题的可靠方法。OLCR测试系统以一套扫描Michelson干涉仪为核心,实现光纤光栅脉冲响应的测量,经傅里叶变换,将脉冲响应转化为失调范围内的频率响应,采用光栅重构技术,获得光栅沿轴向各段的复耦合系数,从而由复耦合系数得到沿轴向各段的Bragg波长。最后根据FBG的传感模型可以获得沿轴向的应变分布。结合一套实用的时分复用OLCR系统,详细论述了OLCR测量方法。该系统用于复合层板Ⅰ型层分断裂试验中FBG应变传感器的测量,得到了断裂过程中的轴向应变分布,结果切实可靠。实验证明OLCR能够很好的实现FBG的复杂应变测量,具有很好的应用前景。     

基于CLPG的FBG监测系统及其应用

为了实现可变体机翼的结构健康监测,提出了一种基于级联长周期光栅(cascaded long-period fiber grating,CLPG)的光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)监测系统.该监测系统以FBG为传感元件,以CLPG为边沿滤波器件,经CLPG调制后FBG反射光功率会发生变化,通过对FBG谐振波长处光功率的探测,从而实现FBG传感信号的监测.监测系统具有结构简单、成本低、解调速度快等优点.利用该监测系统对某型可变体机翼进行结构健康监测,结果表明该监测系统的应变分辨率为2με,实验结果与有限元分析结果相符,最小误差仅为3.27％,表明该监测系统能够用于可变体机翼的结构健康监测.     

基于FBG的磁力轴承气隙磁通密度动态测量及分析

在磁力轴承转子3种转速（1080r／min、1320r／min和1500r／min）以及6种线圈电流（0．5A、1A、1．5A、2．0A、2．5A和2．95A）的条件下,通过光纤布喇格光栅传感装置对磁力轴承定子与转子之间的气隙磁通密度进行了动态测量,并对测量结果进行了FFT分析,测量结果与有限元计算结果达到一定的一致性...     

Analytic temperature field solution of dual laser welding heat sources and application in static recrystallization

The explicit temperature function of dual laser welding was presented, and the effect of welding pass distance and heat source distance on the thermal history was analyzed. There was excellent correlation between analytically solved and finite element method (FEM)-predicted dual laser welding temperature field. The analytical temperature function is applied to study the static recrystallization kinetics upon dual laser welding of nanobainite steel. By calculation, the optimal welding process parameters can be obtained when the static recrystallization fraction takes the maximum value. The corresponding temperature is above the martensite transus temperature and is appropriate to produce sufficient plastic strain in the austenite grains.     

胶黏剂黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响

考虑到FBG传感器用于机床应变监测时,胶黏剂蠕变对静态载荷下FBG应变传递的影响,研究了胶黏剂线黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响规律。基于粘贴层为线黏弹性材料重新建立了粘贴式FBG应变传递模型,并将粘贴层简化为三参量固体模型,得到了粘贴式FBG传感器瞬时和准静态的应变传递关系。然后,通过理论和实验分析了粘贴长度、宽度、高度和中间层厚度对瞬时和准静态应变传递的影响。实验结果表明:在恒定应力作用下,黏接剂蠕变会导致FBG的应变随时间而变化,当粘贴长度在30mm以上时,FBG应变传递率随时间的变化在4%左右;当粘贴长度为15mm时,应变传递率变化接近7%。分析该结果得出:适当增加粘贴长度,减小粘贴中间层厚度可以减小胶黏剂蠕变对应变传递的影响。该结论对基于粘贴式FBG的高精密测量具有指导意义。     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。     

光纤光栅传感系统信号解调技术的研究

实现波长编码信号的解调，是光纤光栅传感系统实用化推广的关键技术之一。文中讨论了光纤光栅传感信号解调的基本原理，分析了国内外提出的常用解调方法的工作机理、特点和性能，并总结了信号解调过程中存在的主要技术难点及发展方向，为基于光纤光栅传感系统的解调部分的设计提供了依据。