寫入?yún)?shù)對(duì)光纖布喇格光柵反射特性指標(biāo)影響

光纖布喇格光柵(fbg)封裝技術(shù)是光器件集成化中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。提出了一種全部注膠的封裝方案,由于膠水固化時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力使得光纖布喇格光柵的性能出現(xiàn)劣化,反射譜和透射譜出現(xiàn)多峰。在第二套封裝方案中,通過減少注膠范圍和增加保護(hù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了性能良好的封裝方案,fbg反射譜和透射譜形狀均正常。

根據(jù)光纖布喇格光柵的光學(xué)傳感原理,提出了一種基于懸臂梁及金屬彈性膜片的光纖布喇格光柵沉降傳感器結(jié)構(gòu),對(duì)其傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)通過產(chǎn)生水的液位差來模擬地基沉降,分析結(jié)果顯示,光纖布喇格光柵中心反射波長(zhǎng)漂移對(duì)液位差呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性度高于0.999,靈敏度可達(dá)-2.11pm/mm.通過改變懸臂梁厚度和有效長(zhǎng)度,可以對(duì)傳感器測(cè)量范圍和靈敏度進(jìn)行調(diào)整,以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合.綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該傳感器在橋梁、鐵路地基等沉降監(jiān)測(cè)方面具有重要意義.

介紹紫外光刻法制作微納光纖布喇格光柵(mf-bg)的制作工藝,測(cè)量并分析不同直徑的微納光纖布喇格光柵的反射譜。數(shù)據(jù)表明隨著微納光纖的直徑變小,光纖光柵的中心波長(zhǎng)藍(lán)移且反射強(qiáng)度也隨之減小。仿真計(jì)算微納光纖的有效折射率和光纖纖芯的束縛能力(即基模分布在纖芯的能量與基模全部能量的比值),來解釋上述變化。

設(shè)計(jì)了一種基于雙光纖布喇格光柵的新型液位傳感器,導(dǎo)出了雙光纖布喇格光柵的波長(zhǎng)漂移差與液位的關(guān)系。圓盤上受到的液體壓力導(dǎo)致等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布喇格光柵的布喇格波長(zhǎng)漂移。通過檢測(cè)兩個(gè)布喇格光柵的波長(zhǎng)漂移差,得到被測(cè)液位。雙光纖布喇格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布喇格光柵傳感器的交叉敏感問題。該液位傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為2～3000mm。實(shí)驗(yàn)表明,雙光纖布喇格光柵的中心波長(zhǎng)隨液位的增加分別向長(zhǎng)波和短波方向漂移,而帶寬幾乎不變,實(shí)驗(yàn)和理論符合較好,該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。

實(shí)驗(yàn)研究了側(cè)向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射現(xiàn)象,提出了一種消除橫向應(yīng)力對(duì)溫度交叉敏感的簡(jiǎn)單而又有效的方法,從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。研究表明,對(duì)fbg施加側(cè)向擠壓產(chǎn)生的雙折射導(dǎo)致普通光纖布喇格光柵存在兩個(gè)滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內(nèi)變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應(yīng)力對(duì)它的交叉敏感,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對(duì)溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對(duì)變化的溫度校正了4℃。

由于各種光噪聲的影響,基于可調(diào)諧法布里-珀羅(f-p)濾波器的光柵解調(diào)儀解調(diào)精度不夠高,光路噪聲通常會(huì)帶來10pm量級(jí)的波長(zhǎng)測(cè)量誤差。為了提高布喇格波長(zhǎng)檢測(cè)精度,采用了在解調(diào)過程中對(duì)光纖光柵反射譜進(jìn)行高斯擬合,從而消減噪聲影響的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),擬合后中心波長(zhǎng)的測(cè)量誤差小于2.5pm,溫度測(cè)量值與實(shí)際溫度之間的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.3℃。結(jié)果表明,在有害噪聲信號(hào)不是非常大的情況下,該方法能有效提高波長(zhǎng)檢測(cè)精度。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)海水溫度監(jiān)測(cè),設(shè)計(jì)了一套浮標(biāo)式光纖布喇格光柵遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了fbg傳感技術(shù)和labview技術(shù),以pc機(jī)、無線數(shù)傳模塊、工控機(jī)、解調(diào)儀等為主要硬件搭建。實(shí)現(xiàn)了傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)及浮標(biāo)定位等功能。通過海試證實(shí)了系統(tǒng)的可行性及可靠性,同時(shí)該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)了便捷,快速的優(yōu)勢(shì)。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對(duì)于給定光柵長(zhǎng)度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

提出了一種由單個(gè)光纖光柵和一個(gè)光纖方向耦合器組成的新型全光纖反射器,推導(dǎo)出了當(dāng)光柵為均勻bragg光柵、器件任意端口輸入時(shí),任何一端口的輸出解析式。分析表明器件具有法布里-珀羅腔干涉儀的特點(diǎn),耦合器的耦合比系數(shù)類似于法布里-珀羅腔的反射率,耦合比系數(shù)越大,輸出光譜半高全寬度(fwhm)越窄,消光比越好。當(dāng)耦合比系數(shù)大于0.8時(shí),fwhm可以窄到0.02nm,消光比大于0.9。如果光柵是“強(qiáng)”耦合,器件具有均勻分布的多通道梳狀輸出特性;光柵為“弱”耦合時(shí),則能實(shí)現(xiàn)fwhm小于0.02nm的單頻輸出。器件只需單個(gè)光柵,克服了制作兩個(gè)完全相同光柵的困難。

我國高速鐵路建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,對(duì)運(yùn)行列車的安全保障成為日益凸顯的重要研究?jī)?nèi)容,建立鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為必要和迫切。本文提出用光纖布喇格光柵應(yīng)力傳感器替代傳統(tǒng)的電網(wǎng)傳感器,分析了光纖布喇格光柵應(yīng)力傳感器的工作原理,設(shè)計(jì)出一種基于光纖光柵傳感器的高速鐵路異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分布式測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線控制等功能,從而有力地保障了列車的運(yùn)行安全。

光纖布喇格光柵(fbg)是國際上光纖傳感技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。在惡劣環(huán)境下對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形和健康監(jiān)測(cè),具有波長(zhǎng)編碼等明顯的其他傳感器所沒有的特點(diǎn)。將由光纖光柵組成的陣列埋入結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部,可用來監(jiān)測(cè)橋梁、大壩、重要建筑物以及船體、航天器內(nèi)部的溫度、應(yīng)變、壓力及材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。該文介紹了采用掩模板制作光纖光柵傳感器的原理和方法,分析了采用相位掩模法制作的分布式光纖布喇格光柵傳感器的靈敏度等測(cè)量性能和噪聲的隨機(jī)過程特性,從而為其在船舶結(jié)構(gòu)變形測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)艦艇結(jié)構(gòu)狀態(tài)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的監(jiān)控,構(gòu)建了基于光纖布喇格光柵傳感器的監(jiān)控系統(tǒng),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體硬件電路,給出了系統(tǒng)軟件工作流程和尋峰算法流程,并最終完成了對(duì)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道同步實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的波長(zhǎng)解調(diào)功能,掃描頻率可達(dá)4khz,能夠快速響應(yīng)監(jiān)控狀態(tài),可直接進(jìn)行工程應(yīng)用。

光纖傳感、光纖光柵、光纖光柵傳感 光纖傳感技術(shù)由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖 中的傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）因外界因素 （如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從 而可將光纖用作傳感器元件來探測(cè)各種待測(cè)量（物理量、化學(xué)量和生物量）， 這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感技術(shù)的分類光纖傳感器可以分為傳 感型（本征型）和傳光型（非本征型）兩大類。利用外界因素改變光纖中光的 特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，稱為傳感型光纖傳感器， 它具有傳感合一的特點(diǎn)，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。傳光型光纖傳感器 是指利用其它敏感元件測(cè)得的特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點(diǎn)是充分 利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。這兩類光纖傳感器都可再分成光強(qiáng)調(diào)制、 相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制等幾種形式。光纖傳感器的特點(diǎn)1、

提出了一種基于級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測(cè)單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號(hào)。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

報(bào)道了一種基于偏芯結(jié)構(gòu)的雙芯光纖制作的長(zhǎng)周期光纖光柵,研究了在這種雙芯光纖中寫入相同結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵的模式耦合特性,這種雙芯結(jié)構(gòu)能夠?qū)蓚€(gè)平行的長(zhǎng)周期光纖光柵集成在一根光纖中。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在光纖圓周橫截面不同方位進(jìn)行曝光,可獲得不同的光柵透射譜,通過利用co2激光脈沖曝光方法實(shí)現(xiàn)其制備,實(shí)驗(yàn)得出了采用單側(cè)曝光方法在偏芯結(jié)構(gòu)的雙芯光纖上制備長(zhǎng)周期光纖光柵的最佳寫入方式。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比,結(jié)果表明,雙芯長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜依賴于在雙芯光纖圓周上的曝光方向。

介紹了一種利用光纖f-p濾波器解調(diào)的、可同時(shí)測(cè)量應(yīng)變及溫度兩種參數(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)。將一個(gè)光纖光柵的長(zhǎng)度分成相等的兩部分,其中一部分的兩端固定在一塊鋼板上,另一部分處于自由狀態(tài)。根據(jù)這兩部分光纖光柵對(duì)應(yīng)變及溫度的不同感應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變及溫度的同時(shí)測(cè)量?？衫貌ǚ謴?fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式應(yīng)變及溫度的測(cè)量。應(yīng)變、溫度的測(cè)量分辨率分別可達(dá)1.3με及0.12℃。

為了評(píng)估交叉敏感問題,從光纖光柵的傳感原理出發(fā),分析了外界環(huán)境對(duì)傳感器性能的影響,討論了光纖光柵物理參量隨溫度、應(yīng)力和壓力的變化情況,提出了基于偏振相關(guān)特性的光纖光柵磁場(chǎng)傳感器方案。利用耦合模理論,仿真分析了溫度、應(yīng)力和壓力對(duì)傳感系統(tǒng)輸出的影響。仿真結(jié)果證明,該磁場(chǎng)傳感方案對(duì)溫度和應(yīng)力是不敏感的,而時(shí)變的壓力會(huì)對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量帶來嚴(yán)重的影響,恒定壓力則會(huì)改變傳感器的測(cè)量靈敏度。

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長(zhǎng)的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長(zhǎng)、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對(duì)光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長(zhǎng)、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號(hào)間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

基于光波導(dǎo)理論與光纖布拉格光柵(fbg)的模式耦合理論,對(duì)倏逝波fbg傳感器的能量衰減特性進(jìn)行了分析研究。最后得到了fbg的歸一化反射率的表達(dá)式,它是外部介質(zhì)折射率(sri)和fbg纖芯直徑的函數(shù)。理論仿真顯示fbg歸一化反射率會(huì)隨著sri增大和fbg腐蝕程度的加深而減小,呈非線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明增大sri(小于包層介質(zhì)折射率)或者增大fbg的腐蝕程度都會(huì)使光纖纖芯中的傳輸能量減小,增強(qiáng)倏逝波與外部媒介的相互作用,從而增加傳感器的靈敏度。

第37卷，增刊紅外與激光工程2008年4月 vol.37supplementinfraredandlaserengineeringapr.2008 收稿日期：2008-03-20 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（50775180），西安理工大學(xué)特色研究計(jì)劃（102-210614） 作者簡(jiǎn)介：魏穎(1981-)，女，河北蠡縣人，碩士，主要研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)量技術(shù)。email:weiying0312@126.com 導(dǎo)師簡(jiǎn)介：焦明星(1962-)，男，陜西高陵人，博士，教授，博士生導(dǎo)師、主要研究方向?yàn)榧す鈧鞲信c測(cè)量技術(shù)方面。email:jiaomx@xaut.edu.cn 保偏光纖bragg光柵傳感特性的實(shí)驗(yàn)研究 魏穎，焦明星

結(jié)合光纖bragg光柵在通信與傳感領(lǐng)域應(yīng)用的特性,利用傳輸矩陣法分析了均勻光柵、啁啾光柵、切趾光柵的反射率、時(shí)延特性、邊模抑制比和反射帶寬示意圖。分析得到了不同光柵的特性規(guī)律,這些規(guī)律對(duì)光柵在通信與傳感領(lǐng)域應(yīng)用具有參考的價(jià)值。