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。     

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.     

长周期光纤光栅与无芯光纤级联的弯曲传感器

在实际工程中,光纤弯曲传感器有很大的市场需求。该文利用长周期光纤光栅与无芯光纤串联在1根光纤上构成传感器,实现对弯曲的传感测量。无芯光纤与长周期光纤光栅级联后,输出的透射谱中产生了大量对弯曲敏感的谐振峰,实验考察了波峰1、2的中心波长随弯曲曲率的变化关系。研究结果表明,波长漂移量与弯曲曲率间存在很好的线性关系,实验测得弯曲灵敏度分别为-12.51 nm/m^-1与-12.504 nm/m^-1。该传感器具有结构简单、弯曲灵敏度高,成本低,重复性好等优点,在大型建筑物与桥梁等弯曲测量领域具有一定的应用价值。     

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。     

长周期手征光栅的光谱和传感特性研究

根据耦合模理论,分析了双螺旋型长周期手征光纤光栅(Chiral Long Period Fiber Gratings,CLPGs)的光谱特性和耦合特性,利用相位匹配条件,计算了特定谐振波长所对应的扭转周期及扭转率,模拟了相应的透射谱,并讨论了光栅的设计参数对透射谱的影响。最后分析了双螺旋型CLPGs的应变传感特性,研究表明其传感特性与传统的长周期光纤光栅类似,谐振波长受应变变化会发生偏移,并且波长的偏移量与应变呈线性关系,灵敏度为0.828 pm/με。     

基于长周期光纤光栅和Sagnac环的温度与折射率的区分测量

利用长周期光纤光栅(LPFG)和保偏光纤(PMF)Sagnac环透射光谱的调制特性,设计了温度和折射率同时区分测量系统。通过监测LPFG嵌入Sagnac环的透射谱中谐振峰波长和强度的变化,测定了波长和强度对温度和折射率的灵敏度系数,构建了传感系数矩阵。实验发现,谐振峰波长随温度变化,谐振峰强度随折射率变化,实现了温度与折射率的区分测量。实验测得该系统的温度灵敏度0.1 286nm/℃,折射率灵敏度为49.38dB/RIU。实验结果验证了方案的正确性,且实验系统搭建简便,体积小,成本低,具有一定的应用前景。     

LPFG包层模对环境折射率的灵敏度分析

从理论和实验两个方面分析了长周期光纤光栅（LPFG）前3阶包层模的透射谱特性与光栅外包层厚度间的关系。LPFG的谐振波长漂移范围随着其外包层厚度的减小而扩大,同时,高阶耦合模LP04模的谐振波长漂移强于低阶模。研究表明,通过设计光纤光栅结构能改善其各阶包层模谐振峰对环境折射率的灵敏度。     

截面折变非对称型长周期光栅高温应变特性

研究了基于高频CO_2激光脉冲单侧写入的截面折变非对称型长周期光纤光栅(LPFG)高温特性及其在高温环境中的轴向应变特性。理论和实验表明在200～1000℃之间长周期光纤光栅的谐振峰漂移呈线性趋势;同时,在高温环境中其谐振峰随轴向应变也呈线性漂移,且不同谐振峰的温度和应变灵敏度也不同。利用这种新型长周期光纤光栅独特的高温应变特性可用一根光纤光栅实现对高温和应变的同时测量。     

基于长周期光纤光栅的压力传感器

利用长周期光纤光栅(LPFG)对于弯曲敏感的特性，与应变膜片压力传感技术的机械结构相结合，报道了一种基于长周期光纤光栅的新型压力传感器。实验结果表明，在0～0．13MPa的气压下，长周期光纤光栅透射谱的峰值波长向长波长方向移动了1．8nm；透射峰的幅度减小了13dB。通过检测其在固定波长处的光功率变化值就可以获得待测的压强值。该传感器的分辨率可以达到10^-4MPa，能够很好地满足实际应用的要求。     

基于液晶超薄涂覆层的长周期光纤光栅温度特性的研究

采用液晶超薄涂覆层的双包层光纤模型,利用耦合模理论对长周期光纤光栅涂覆层折射率、温度特性进行研究,并通过实验和计算机模拟,得出长周期光纤光栅透射谱谐振波长于超薄涂覆层折射率及温度的关系。     

基于周期压力单模光纤长周期光栅的折射率传感特性研究

利用交替放置的两个相同周期性刻槽板,对放置于套管中的单模裸纤和待测媒质施力,形成了具有复合光波导结构的长周期光纤光栅(LPFG)。实验研究了不同折射率待测媒质对LPFG传输谱的影响。结果表明:复合波导光栅的光谱呈现双谐振峰现象,且中心谐振波长随待测媒质折射率增大向短波长方向移动;包层模阶次越高,其中心谐振波长移动量越大。当折射率从1.33变化到1.43时,LP14包层模的中心谐振波长变化了7.2nm,所对应的传感器折射率灵敏度约为2.78×10-4 RIU。     

环境折射率对长周期光纤光栅谐振波长的影响

长周期光纤光栅是近几年出现的新型光纤器件,表现为前向传播的纤芯导模与同向传播的各阶次包层模在特定波长时的模式耦合,因此它在温度、应变、折射率传感方面比普通的光纤光栅有更大的优越性.运用耦合模理论,首先讨论了长周期光纤光栅的谐振波长,并模拟了其透射谱.其次在理论上详细分析了长周期光纤光栅对环境折射率的敏感特性,讨论了环境折射率敏感度因子与包层模次数的关系,并比较了不同环境折射率下的灵敏度.最后模拟了在环境折射率小于光栅包层折射率的情况下,谐振波长随环境折射率变化的规律.     

长周期光纤光栅三层结构折射率梯度响应特性研究

基于模式耦合理论和传输矩阵法,使用三层结构圆光波导模型对长周期光纤光栅(LPFG)包层模(HE14)的响应特性进行仿真和分析。通过对比分析外部环境折射率呈梯度分布时与呈均匀分布时的LPFG透射谱,发现谱线中除了损耗峰发生漂移以外,主峰左侧旁瓣深度增加,主峰右侧旁瓣深度减小,且随外部环境折射率的升高,这种变化趋势愈加明显,分析了透射谱发生相应变化的原因。研究结果对使用LPFG进行折射率梯度传感设计具有一定意义。     

传输矩阵法求解长短周期级联光纤光栅传输谱

基于光纤光栅的模式耦合理论,用传输矩阵法对长短周期级联光纤光栅的传输谱特性进行分析。先由耦合模方程分别得到长周期光纤光栅(LPFG)、连接光纤段和短周期光纤光栅(FBG)的传输矩阵,然后将它们相乘得到总的传输矩阵,最后再结合边界条件求得长短周期级联光纤光栅(CLBG)的传输谱。进一步对CLBG的传输谱进行了数值模拟,并通过实验进行了验证。实验结果表明,CLBG的传输谱中出现了由纤芯模和包层模耦合形成的两个谐振峰,与模拟计算的结果一致,证明了传输矩阵法求解CLBG传输谱的可行性,为CLBG在多参量传感和测量领域的广泛应用提供了理论支持。     

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。     

柚子型光子晶体光纤布拉格光栅理论及实验研究

利用有限元法对一种柚子型光子晶体光纤中的传输模式进行了模拟,得到了各传输模式的有效折射率和模场分布。结合耦合模理论和相关函数方法,对柚子型光子晶体光纤布拉格光栅反射谱进行了理论分析,解释了柚子型光纤光栅出现多个谐振峰的原因;数值分析了光纤纤芯直径和空气孔尺寸对光栅传输谱的影响。结果表明谐振峰波长随纤芯直径的增大向长波方向漂移,而随空气孔增大向短波方向移动,并且不同谐振模式的变化幅度不同;利用相位模板法写制了光子晶体光纤光栅,实验结果与理论分析能够很好地吻合。     

表面膜层参数对长周期光纤光栅特性的影响

采用严格的耦合模理论建立了表面涂覆弱吸收薄膜长周期光纤光栅（LPFG）的理论模型，用微扰法对复数超越特征方程进行了求解。研究发现，对应某一膜厚，存在一折射率范围，有效折射率的变化和谐振波长偏移特别明显；但消光系数对有效折射率和谐振波长的影响则很小。从功率密度分布曲线可看出低阶奇次包层模式与纤芯模式的耦合要强于低阶偶次包层模式与纤芯模式的耦合，消光系数引起的功率损耗较小。薄膜折射率对透射谱的变化（幅度和谐振峰偏移）影响很大；消光系数对谐振峰偏移影响很小，对谐振峰幅度的影响与具体的薄膜折射率有关。结果表明，敏感薄膜折射率和消光系数与传感器的灵敏度高低有直接关系，传感器的结构优化非常必要。     

长周期光纤光栅谐振波长及耦合系数的研究

运用Matlab7.0软件进行建模,研究发现,当光栅周期确定后,波长改变时高次包层模与导模耦合的谐振波长处于长波长处,而低次包层模式与导模耦合的谐振波长处于短波长处;光纤参数的变化对耦合系数的影响程度不同,耦合系数对纤芯半径的变化更敏感,特别是纤芯半径变小时,奇次耦合系数的最大值所对应的模式次数向相反方向漂移.由此可见,光纤参数的变化对谐振波长和耦合系数会产生一定的影响,而这些影响会进一步引起透射谱损耗峰的漂移和分裂.