弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的研究

为了研究弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器谐振波长漂移量与光栅弯曲形变的关系,采用耦合模理论和计算机模拟方法进行了理论计算和仿真研究,推导出弯曲光子晶体光纤长周期光栅谐振波长表达式,设计了一般弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器系统模型,分析了弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的基本工作原理,并计算了长周期光子晶体光纤光栅弯曲曲率、光栅有效折射率和谐振波长与弯曲应变的关系。结果表明,随着光栅弯曲形变的增加,光栅的曲率会增加,光栅传感器的谐振波长漂移量会增加,光栅每发生1变化,光栅谐振波长的漂移量变化0.014nm。     

边孔光纤长周期光栅的传感特性研究

采用CO₂激光脉冲技术在边孔光纤(SHF)上 写入长周期光栅(LPG),并对其温度、外界折射 率和弯曲的传感特性进行测试。实验表明, 当温度从20℃升高到80℃时,SHF-LPG的谐振波长随温度升高线性蓝移6.51nm, 温度灵敏度为－0.11nm/℃。其对外界折射率的敏感 度随折射率升高而增加,越 接近光纤包层的有效折射率灵敏度越高,测量范围为1.34-1.44;其 谐振波长随弯曲曲率的增加线性红 移,但弯曲传感灵敏度具有较强的方向相关性,最大达到9.36nm/m －1。     

基于保偏长周期光纤光栅的光纤环镜传感器

提出了一种基于保偏长周期光纤环形镜结构的光纤 传感器,可实现对湿度和温度两个参数的 同时测量。采用高频CO₂激光器在熊猫形保偏光纤(PMF)上写入长周期光纤光栅(LPFG),然 后与3dB单模 光纤(SMF)耦合器连接组成光纤环形镜,并在保偏长周期光纤光栅(PM-LPFG)表面涂覆一 层湿敏材料聚乙烯醇(PVA)薄膜用于获得空气的相对湿度。PM-LPFG的谐振峰波长强度和波长同时 随湿度 与温度的变化而变化,实现对外界相对湿度与温度的同时测量,相对湿度和温度的灵敏度分 别为0.17nm/%RH和0.21nm/℃。     

基于长周期光纤光栅的光纤液位传感器

为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。     

柔性复合基体光纤布拉格光栅曲率传感器

面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求,提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中,并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合,形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块,实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律,分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明:硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量,最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加,传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性,可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。     

基于飞秒激光直写的高折射率光纤光栅传感器

该文提出了一种基于飞秒激光直写的高灵敏度光纤光栅折射率传感器,同时测量了传感器的温度及轴向应变特性。采用波长为800 nm的飞秒激光刻写了周期为150μm,周期数为50,栅区长度为7.5 mm的长周期光栅。该传感器在折射率测量实验中的灵敏度最高可达1 605 nm/RIU,在30～330℃,温度灵敏度达到76.52 nm/℃,传感器的稳定性良好且对应变不敏感,鲁棒性优良。这种基于飞秒激光直写的长周期光纤光栅,其折射率灵敏度较高,耐高温,具有广泛的应用前景。     

弯曲曲率对长周期光纤光栅透射谱特性的影响

报道了一种分析长周期光纤光栅(LPFG)透射谱谐振波长和衰减率随弯曲曲率变化的方法。利用耦合模理论和微扰近似推导了长周期光纤光栅透射谱随弯曲曲率变化的一般表达式,得到当弯曲曲率为2.56 m~(-1)时,长周期光纤光栅透射谱分裂,分裂峰的谐振波长和衰减率与弯曲曲率呈非线性变化,但分裂峰的间距与弯曲曲率呈线性变化。利用B-Ge共掺单模光纤写入的长周期光纤光栅证实了理论的正确性,且具有很好的重复性。     

高频CO2激光脉冲写入PCF-LPFG传感特性研究

采用高频CO2激光技术在柚子型光子晶体光纤(PCF)上写入长周期光纤光栅(LPFG),并对其温度、应变和弯曲特性进行了实验研究。实验测得,PCF-LPFG谐振波长的温度和应变灵敏度分别为0.002nm/℃和0.001 8nm/με,谐振峰损耗值对温度和应变不敏感。由于高频CO2激光写入为单侧写入,导致PCF-LPFG透射谱的弯曲特性与方向和曲率直接相关。选择弯曲灵敏度较大的方向进行了弯曲测试,测得在一定的曲率范围内,PCF-LPFG的谐振波长及谐振峰损耗值的灵敏度分别为-5.45nm/m-1和3.32dB/m-1。基于PCF-LPFG的透射谱温度不敏感特性,本文为制作不受温度影响的应变和弯曲传感器提供了新的方法。     

细芯长周期光纤光栅构成的湿度传感器

利用高频CO₂激光器分别在细芯光纤和普通单模光纤中刻写了光栅周期参数相同的长周期光纤光栅,然后采用提拉法分别在这两个长周期光纤光栅的包层表面涂覆了聚乙烯醇(PVA)薄膜,构造了两款光纤湿度传感器。对比研究了这两款光纤湿度传感器的湿度与温度传感特性。实验结果表明,两款湿度传感器通过解调透射谱的波长偏移,实现了环境相对湿度(RH)的测量。同时,在环境湿度高时具有很高的湿度灵敏度,在环境湿度低时灵敏度较低。细芯长周期光纤光栅湿度传感器对湿度变化的响应时间短响应速度更快,同时它对环境温度变化的敏感度低,环境温度变化对湿度测量交叉敏感小。设计的湿度传感器结构简单、成本低、制作方便、灵敏度高、响应快速,在分析化学、环境监测和生物传感方面有一定应用前景。     

用单一倾斜光纤光栅实现曲率和温度的同时测量

基于单个倾斜光纤光栅(TFBG)提出了一种实现双参量曲率和温度同时测量的方法.研究发现,当弯曲方向与光栅栅面成一定角度时,倾斜光纤光栅的纤芯模偕振波长对弯曲不敏感而随外界温度变化线性漂移;低阶包层模谐振峰透射功率随曲率的增加而线性减小且对温度变化不敏感.由此特性提出了用单个倾斜光纤光栅的纤芯模谐振波长和低阶包层模谐振峰透射功率,分别实现对两个参量温度和曲率进行同时独立测量的传感器设计方案,该方法有望解决光纤光栅在测量中存在的温度和弯曲之间的交叉敏感问题.     

基于柱矢量模式的光纤迈克尔逊传感特性研究

基于涡旋光纤(vortex fiber,VF) 激发的柱矢量模式(cylindrical vector modes,CVMs) 设计了迈克尔逊干涉仪传感器,并对轴向应变、温度和折射率传感特性进行了理论研究和实验验证。 通过对VF施加一个微弯长周期光栅(microbend long period gratings,MLPG),激发一阶CVMs(TE₀₁、HE₂₁和TM₀₁);在VF尾端加反射镜,反射后纤芯中的基本模式HE₁₁与环芯中的CVMs产生干涉,构成了迈克尔逊干涉仪。实验测得对应于柱矢量模式TM₀₁、HE₂₁和TE₀₁的应变灵敏 度分别为-1.1 nm/mε、-1.1 nm/mε和-2.1 nm/mε,温度灵敏度分别为9.3 pm /℃,3.4 pm /℃和-2.4 pm /℃,而折射率不敏感。该传感器结构简单,且TE₀₁模式具有最高应变灵敏度和最低温度灵敏度,可作为折射率不敏感的、温度交叉灵敏度低的理想无补偿应变传感器,是智能型工程结构中下一代传感器的理想选择。     

一种基于套嵌光纤光栅的高灵敏度光纤电流传感器

提出了一种基于套嵌光纤光栅的光纤电流传感器,该传感器使用了二次曝光法制作的长周期光栅结构和布拉格光栅结构套嵌的光纤光栅作为传感元件,通过直接在光栅表面制作镍铁合金作为加热电极层,当电流通过时对光栅区域加热引起光栅光谱中心波长漂移,实现了高灵敏度的电流测量。实验结果表明,这种光纤电流传感器的电流响应灵敏度达到7.2×10-2nm/mA,且具有结构简单、体积小等优点,在高灵敏度的光纤电流检测领域具有广泛应用价值。     

光纤光栅倏逝波传感器灵敏度研究

基于光纤布喇格光栅传感原理,分析了倏逝波光纤布喇格光栅(EWFBG)传感器的传感特征,建立了传感器反射波长随环境折射率变化的数学模型,并导出了波长灵敏度函数。结合函数分析了传感器的光纤光栅直径、外界液体折射率与灵敏度的关系,运用模式耦合理论进行模拟。结果表明,光纤传感区域纤芯越细,外界液体折射率与纤芯折射率相差越小,其反射中心波长漂移量越大,传感器灵敏度越高。通过对纤芯直径为6.2μm和8.2μm在1.33¹.46环境折射率范围内的波长响应关系拟合,分别获得了1.25nm和1.14nm的波长变化量,灵敏度数量级为10-51.46环境折射率范围内的波长响应关系拟合,分别获得了1.25nm和1.14nm的波长变化量,灵敏度数量级为10-5¹0-6,论证了分析结论的正确性。为EWFBG折射率传感器的设计、优化及应用提供了参考依据。     

同时测量弯曲曲率和弯曲方向的长周期光纤光栅传感器

通过实验发现了高频CO2激光脉冲制备的长周期光纤光栅（LPFGs）的弯曲特性具有明显的弯曲方向性：即当其向不同的方向弯曲时,其谐振波长和损耗峰值的变化对应的弯曲灵敏度不同,并且在两个弯曲方向上最敏感,而在另外两个弯曲方向最不敏感。本文根据此独特性质,提出了不仅可以测量弯曲曲率而且可以同时判别弯曲方向的传感器,该弯曲传感器由2个具有弯曲方向相关性的LPFG和1个没有弯曲方向相关性的LPFG组成。结果表明,它克服了其它弯曲传感器只能测量弯曲曲率或只能判别弯曲方向的缺点。     

基于偏芯结构的光纤弯曲传感器及其特性研究

提出了一种基于偏芯熔接(COJ)结构的光纤弯曲传感器。传感器利用COJ结构,将部分纤芯光耦合到包层中形成包层模,在输出端与纤芯模进行耦合形成干涉,并通过探测输出光谱的波长漂移对曲率进行探测。理论和实验表明,本文结构的弯曲传感器具有较好的弯曲灵敏度以及较好的线性响应曲线,对长为55.6mm的传感器,其弯曲灵敏度为-6.9nm/m-1;传感器长度会影响传感器的弯曲灵敏度,长度越长,弯曲灵敏度越大。     

基于离轴刻写的FBG包层模式的光纤弯曲传感器

基于光纤光栅(FBG)包层模式,制作了一种弯曲在线监测的全光纤传感器。传感器使用193nm ArF准分子激光器,通过离轴刻栅的方式在15mm单模光纤上刻写的光栅。对该传感器的弯曲和温度变化的响应特性进行了理论分析,并在0~1.2m-1曲率变化范围内,对传感器的弯曲响应特性进行了实验研究,结果表明,随着弯曲曲率的增大,包层模式的强度下降。其对弯曲的响应灵敏度为0.11dB/m-1,线性度为0.996,表现出了它较高的灵敏度和线性度。随着环境温度从25℃变化到60℃,该传感器峰值波长响应灵敏度为0.02nm/℃。结果表明,该型传感器对温度干扰不敏感。由于其结构简单,制作方便,精度高,在油气田管道健康监测领域有较好的应用前景。     

LPFG与无芯光纤级联的折射率与温度同时测量传感器

为了满足工业生产与科学研究对折射率与温度同 时测量的需求,一款新型光纤传感器被设计了。传 感器是利用无芯光纤(no-core fiber,NCF)与长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG)级联构成,其中NCF对折射率比 较敏感,LPFG 对温度较敏感。实验选择传感器透射谱谐振峰波谷Dip 3(由NCF激发)和Dip 4(由LPFG 激发)来进行环境 温度与折射率测量。实验发现Dip 3和Dip 4的中心波长随温度变化有很好的线性关系,温度灵敏度分别 为9.46 pm/℃和19.88 pm/℃。当环境折射率 在1.33范围变化时,Dip 3的中心波长 与折射率之间存 在极好的线性关系,折射率灵敏度为102.80 nm/RIU,而Dip 4的中心 波长对折射率变化不敏感。利用Dip 3与Dip 4的温度和折射率灵敏度构建灵敏度测量矩阵,实现了折射率和温度的同时测量,消 除了交叉敏感。 设计的传感器结构简单、折射率灵敏度高、成本低、结构重复性好,能够满足工程实际的 需求。     

一种基于高衰减光纤的光纤光栅热线式流量计

为了发展全光学流量测量技术,提出了一种基于掺钴高衰减光纤的光纤光栅热线式流量计。通过解调光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)中心波长进行流量测量,具体包括传感器制作、温度传感特性测定和流量测量实验。结果表明,基于衰减系数为8.9 dB/cm、工作波长约为1480 nm的掺钴光纤的FBG具有10.3 pm/℃的温度灵敏度;流量计在400～3700 L/h液体流量范围内可高重复性地实现测量;流量--FBG中心波长遵循特定非线性函数计算模型;流量计的平均灵敏度约为0.15 pm/(L·h^-1),低流速下灵敏度最高可达到1 pm/(L·h^-1)。所提出的流量计丰富了光纤光栅用于液体流量测量的研究。设计中采用了掺钴高衰减光纤自发热和单端毛细管封装,为流量传感器的全光学化、微型化和高灵敏度发展提供了新思路。     

长周期光纤光栅波导色散因子和有效折射率热光系数的测量

对串联的长周期光纤光栅(CLPFG)的透射谱特性进行了理论分析和实验研究。分析表明,长周期光纤光栅中纤芯模和包层模之间的马赫曾德尔干涉效应导致在长周期光纤光栅谐振峰内的梳状滤波结构特性;其峰值位置和峰间距同串联区光纤的长度以及光纤的波导色散因子有关。测量了长周期光纤光栅的透射谱,并研究了其温度特性。根据测量数据,得到对应于1554 nm波长处,所用单模光纤HE14模的波导色散因子γ为0.874;纤芯/包层有效折射率差的热光系数为4.8×10-5℃-1。并对这一测试方法和结果,以及长周期光纤光栅的应用进行了讨论。     

基于保偏光子晶体光纤的高灵敏度曲率传感器

为了能高精度测量小曲率,采用单模-鼓包-保偏光子晶体光纤-多模-单模光纤组成的结构,其中多模光纤和单模光纤之间错位熔接。通过理论分析和实验验证得到在0.04582m-1~0.054776m-1及0.054776m-1~0.06929m-1曲率范围内,谐振波长漂移与曲率变化之间分别存在着线性关系。结果表明,该曲率传感器灵敏度值分别为93.95nm/m-1和30.89nm/m-1,可以应用于健康监测等需要测量小曲率的场合。