超声脉冲纵波调制光纤光栅的光谱特性研究

针对光纤光栅传感器网络密度与容量的提高,提出将超声脉冲纵波导入光纤,传播过程中将会影响光栅的光谱,实现对光纤光栅进行标记与区分。开展了不同激励信号参数对于光纤光栅光谱影响的研究,利用ANSYS软件对超声脉冲纵波在光纤中的传播过程进行仿真,建立了基于傅里叶模式耦合理论的超声脉冲纵波对于光谱的调制模型,并对该模型进行了仿真分析。仿真结果表明,与梯形脉冲纵波相比,在相同条件下高斯脉冲纵波调制幅度减小12 pm,但调制稳定性优于梯形脉冲纵波,减小高斯脉冲纵波脉宽会提高调制幅度,但是脉宽过小会使应变产生拖尾,降低调制效果。在本文的条件下脉宽为34 μs的高斯脉冲纵波调制效果最佳,可以在保证调制幅度为82 pm的同时使得光谱中心波长红移蓝移各一次。仿真结果为超声脉冲纵波调制光纤光栅激励信号参数的选择提供了参考,为利用超声脉冲纵波区分光纤光栅打下基础。     

基于超声脉冲激励的光纤光栅复用技术

为了提高光纤光栅传感网络的信息传递密度与容量,提出基于超声脉冲激励的光纤光栅复用技术,并进行实验分析,通过将超声脉冲激励分别导入单光栅与光栅串中,使单光栅、光栅串发生啁啾。实验结果表明：单光栅实验中,超声脉冲使光栅降低其相对反射率;光栅串实验中,超声脉冲使其中一个光栅相对反射率下降时,其余光栅相对反射率上升,能有效分离3个光谱相近的光栅。     

光纤光栅声光调制特性分析

高频超声波在紫外写入的光纤布拉格光栅(FBG)上传播，产生的长周期超声光栅调制光纤光栅，形成光纤超声超结构光栅。利用模式耦合理论，分析了光纤超声超结构光栅的光谱特性，得出光纤超声超结构光栅的反射谱存在多个反射峰，其反射峰的波长间隔由超声波的频率决定。因此，可以通过改变超声波的频率，调节一阶反射谱的反射波长，从而实现宽调谐范围的快速波长可调滤波器。该滤波器与通常的声光可调滤波器相比，带宽更窄，调谐速度更快。     

保偏光纤光栅高温及应力传感特性研究

基于光纤光栅理论,制作了一种熊猫型保偏光纤光栅,并用实验验证了其温度和轴向应力响应特性,根据实验结果对比分析了温度逐渐升高和轴向应力逐渐增大时功率的变化情况。结果表明,熊猫型保偏光纤光栅在100~550℃高温范围内具有稳定的波长响应特性,其双峰的波长灵敏度分别为14.3pm/℃和14.4pm/℃,线性拟合度均高达99.9%;在0~2.4N范围内,双峰的轴向应力响应灵敏度分别高达1.477nm/N和1.490nm,线性灵敏度均高达99.9%;随着温度和轴向应力的增大,反射光谱对功率变化情况的响应也不相同。该保偏光纤光栅结构简单,所测温度范围较广,且轴向应力敏感系数较大,具有广泛的应用前景。     

平均功率360W的光谱合成纳秒脉冲光纤激光

采用多层电介质膜衍射(MLD)光栅实现多路光纤激光的共孔径光谱合成是主流的光谱合成方案。本实验搭建了4路平均输出功率为100W量级的窄线宽脉冲光纤激光器,中心波长在1058～1075nm,利用基于MLD光栅的光谱合成系统,成功获得了平均功率360W,峰值功率122 kW,脉冲能量036mJ,合成效率90,重复频率1 MHz,脉冲宽度295ns的光谱合成脉冲激光输出。最大合成功率下对应的输出光束质量因子M2小于2(M2x=193,M2y=16)。     

长周期光纤光栅单损耗峰实现轴向应变和温度双参量

由于长周期光纤光栅进行传感时存在温度交叉敏感的问题,因此,提出了一种长周期光纤光栅单损耗峰实现温度与轴向应变双参量同时传感的方案。实验制备长周期光纤光栅并分析光栅损耗峰随温度和轴向应变变化的特性：温度导致光栅中心波长漂移,温度灵敏度为90 pm/℃,但是对强度几乎没有影响;轴向应变主要影响光栅的强度,轴向应变灵敏度为12 dB/mε,对中心波长影响较小。实验结果表明,利用长周期光纤光栅单损耗峰从波长漂移和强度变化两个维度进行分析,可以实现温度、轴向应变的双参量同时传感。该方案结构简单,迟滞、重复特性好,具有一定的实际应用价值。     

展宽器中非对称光谱剪切对输出脉冲对比度的影响

在展宽器中,光谱的剪切情况非常重要,它直接影响输出脉冲的质量.以Offner展宽器为例,参照以往建立的光线追迹模型,建立了分析展宽器中光谱剪切的模型.发现当展宽器的参数确定好后,光栅放置的位置对激光脉冲光谱剪切有非常重要的影响.当光栅相对于光轴中心对称放置时,展宽器容许通过的光谱相对于激光中心波长将是非对称分布的,即此时在展宽器中发生的光谱剪切为非对称光谱剪切,在神光II第9路拍瓦激光装置中,这种非对称光谱剪切将使输出脉冲对比度下降一个数量级.为了使展宽器中通过的光谱相对于激光中心波长对称分布,需要将光栅相对于光轴非中心对称放置.     

1.06 μm结构参数最优化非保偏锁模光纤激光器（英文）

采用半导体可饱和吸收镜的锁模光纤激光器是构建皮秒脉冲光纤放大器的热门候选种子光源之一。本文利用非线性薛定谔方程从理论上分析了单模传输光纤和单模增益光纤的模场半径、增益光纤的光纤长度、光纤布拉格光栅的反射率、半导体可饱和吸收镜的调制深度、非饱和损耗和饱和通量对输出脉冲特性的影响。对输出激光的脉冲和光谱特性也进行了理论研究。根据仿真结果,搭建了基于非保偏线型腔和SESAM的掺镱锁模光纤激光器系统。在没有任何腔内色散补偿和外部偏振控制的情况下,获得了中心波长为1.06μm、脉冲宽度小于12.51 ps、光谱宽度为0.32 nm、重复频率为37 MHz、输出功率为2 mW的稳定锁模脉冲激光输出。在我们的实验中,激光脉冲的光谱边缘平滑,光谱分布非常接近高斯线型。最后,通过系统的仿真,近红外锁模光纤激光器的整体结构得到了优化。本文介绍的锁模光纤激光器具有紧凑的非保偏光纤结构、精简的腔内配置和较少的元器件、高质量的输出脉冲相关特性,有望为下一代皮秒脉冲光纤激光器提供性能优异的实用化种子光源。     

基于弯曲压杆的光纤光栅可调谐线性啁啾化

提出利用镍钛合金压杆弯曲应变引入到光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)实现无中心波长漂移可调谐线性啁啾化方法并进行了实验验证。设计一种镍钛合金压杆结构,理论计算并有限元分析验证了应变分布情况。将光纤光栅粘贴在镍钛合金压杆上,弯曲压杆将线性拉伸与压缩应变引入到栅区,利用光谱仪记录反射谱。实验结果表明,当压杆移动距离达到12.5 mm时,反射谱带宽增大到1.57 nm,中心波长漂移量仅为0.11 nm。利用光纤光栅啁啾化理论,结合传输矩阵法和龙格库塔法实现啁啾光纤光栅光谱重构。实验结果与仿真结果吻合。该方法制作的啁啾光栅可以实现带宽可调谐且基本无中心波长漂移,在光纤传输和传感领域均具有一定的应用前景。     

纤芯包层复合结构FBG的光谱特性仿真研究

针对纤芯包层复合结构光纤布拉格光栅(FBG)制备难度较大的问题,文章首先分析了复合结构FBG的结构特征,然后从光纤耦合模理论出发,利用Rsoft结合Matlab软件分别模拟了单独存在的纤芯、包层光栅以及复合结构光栅的反射光谱,并且通过改变光栅周期、栅区长度以及调制深度,对复合结构FBG的反射光谱特性进行了仿真分析。仿真结果表明,光栅周期为541 nm并固定其他参数时,单独的纤芯与包层光栅中心反射波长分别为1 563.4和1 558.0 nm,复合结构光栅获得了具有相同中心波长的双峰反射光谱;复合结构光栅的光栅周期、光栅长度和调制深度会对反射谱的中心波长、强度与半高宽度造成规律性的影响。研究结果可以给光栅刻写与应用提供参考与理论支撑。     

光纤Bragg光栅温度补偿方法的研究

应变和温度变化都会引起光纤Bragg光栅（FBG）反射波长的漂移,即所谓的交叉敏感问题,它是制约FBG传感检测技术实用化的“瓶颈”.从应变、温度交叉敏感的物理机制出发,阐述了光纤光栅温度补偿的基本原理,介绍了几种国内外常用的光纤光栅无源温度补偿的方法,并详细分析了每种方法的优缺点.     

光纤Bragg光栅应变传感研究

基于光纤Bragg光栅应变传感模型 ,利用泰勒级数展开法 ,将光纤Bragg光栅反射峰中心波长所满足的Bragg方程展开 ,得到了中心波长相对偏移量与应变增量之间的二次解析关系式 ,进而得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的解析表达式 ,计算了一阶、二阶应变灵敏度系数的理论值 ;并将光纤Bragg光栅粘贴在悬臂梁上进行拉伸和压缩 ,得到了与应变对应的光纤Bragg光栅中心波长偏移量 ,通过线性和二次多项式拟合 ,得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的实验值 ;各阶应变灵敏度系数的理论值与实验值吻合得到很好     

基于膜片的光纤布拉格光栅压力传感器的研究

理论分析了光纤布拉格光栅的压力传感特性,给出了光纤布拉格光栅的中心波长与压力的关系以及压力灵敏度系数的表达式,并将光纤布拉格光栅纵向粘贴在自行设计型号为ZXYC01的平面膜片上进行了压力实验.实验结果表明光纤布拉格光栅压力灵敏度系数46 pm/MPa左右,其测量精度为0.5%F.S,而理论的压力灵敏度系数为51 pm/MPa左右,实验值和理论值基本相符,它们分别是裸光纤布拉格光栅压力灵敏度系数的23和26倍.同时发现光纤布拉格光栅的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小.     

光纤光栅高温传感器的研究

提出了一种能够测量高温的光纤布拉格光栅（FBG）传感器结构。利用线膨胀系数和长度均不同的两种金属细杆和光纤布拉格光栅设计而成的传感头，能够将被测温度转化为光栅的应变，解调由应变引起的光栅波长漂移，即可得知待测的温度。目前在实验室实现了500℃的动态范围和1℃的温度分辨率，实验结果与理论分析一致。     

FBG光纤传感器的同步探测技术

光纤光栅传感解调系统的波长校准技术是人们关注的焦点,通常是将固定波长的FBG固定在恒温箱中,以此作为光纤光栅传感解调系统的参考元件．此方法占用了宽带光源的某个波长范围,从而制约了解调系统的波长扫描范围．构建的光纤光栅传感解调系统,将FP滤波器的驱动锯齿信号转变为方波信号,以此作为同步处理所需参考信号,省去了这个固定波长的FBG传感器,充分地利用了宽带光源的波长范围,并使得解调技术简单,同时提高了外接FBG传感器的数量．     

横向局部受力光纤光栅的研究

仿真分析了光纤布拉格光栅(FBG)横向局部受力时的光谱变化,对不同受力位置、受力大小、受力长度的FBG分别作了光谱分析.当FBG横向局部受力时,光谱会分裂,在反射光谱上出现一个透射缺口,且随压力的变化而呈线性、周期性变化.通过和光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的比较,发现此缺口是光纤光栅法布里-珀罗腔效应形成的,这将对此类光纤光栅传感系统的光谱检测具有一定的指导意义.     

一种用于合成光纤布拉格光栅的全时域算法

基于离散的光纤布拉格光栅(FBG)模型,推导了时域内的传输矩阵和散射矩阵;根据因果分析,提出了一种全时域的FBG合成算法,它能直接在时域内计算已知FBG的冲激响应.这种算法在迭代求解的过程中仅使用了简单的变换和移位操作,并考虑了光在FBG中多个反射点间的来回反射,能适用于高反射率FBG的重构.FBG合成的数值模拟,证实了这种全时域算法的优越性.     

基于轴向压缩技术的宽调谐光纤光栅滤波器的研制

研制了一种宽调谐光纤光栅滤波器。该滤波器通过光纤插芯导引光栅,利用轴向压缩技术,实现了25nm的调谐。调谐过程中,FBG布拉格波长改变量与微位移台调节量呈良好的线性关系,FBG反射率波动小于0.59dB,3dB带宽波动小于0.1nm,装置稳定性较好,布拉格波长在30分钟内的漂移量小于0.07 nm。