少模光纤长周期光栅——从模式转换到高灵敏度光纤传感

少模光纤长周期光栅具有波长选择性好、插入损耗低、结构灵活多变、集成度高、与光纤系统兼容等优点,是实现少模光纤中模式转换、涡旋模式调控的有效手段,在光纤通信和光纤传感领域都展现了巨大的应用价值.该文介绍了少模光纤长周期光栅在模式转换和光纤传感方面的研究进展,首先介绍了少模光纤长周期光栅的制备技术、模式耦合原理,重点介绍了少模光纤长周期光栅模式转换器,包括标准长周期光栅和螺旋长周期光栅,最后详述了基于少模光纤长周期光栅的光纤传感器的工作原理和实现方法.     

基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。同时还介绍了基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。     

倾斜光纤光栅传感器

倾斜光纤光栅是一种光栅条纹与光纤法线存在一定角度的特殊光纤光栅.由于光栅倾角的引入,前向传导的入射光被有效激发至后向传导的包层模,并保留满足布拉格条件的后向传导纤芯模.经过各种新颖的结构设计、物理组合及生物化学材料修饰,倾斜光纤光栅可实现多种物理、机械、电磁、生物、医学、化学传感量的高精度检测,成为"光纤上的实验室"(lab-on-fiber)的重要组成和关键器件.该文系统介绍了倾斜光纤光栅的制作方法、模式耦合理论、传感机理与特性(特别是表面等离子共振技术)及近年发展起来的各种传感应用实例,包括机械类传感如弯曲、振动、位移等;电磁类传感如电场、磁场等;生物类传感如细胞、蛋白、血糖;化学类传感如气体、电活性微生物等.随着各种新功能材料和纳米加工技术的快速发展,基于倾斜光纤光栅的交叉学科研究快速发展,为进一步提高光纤传感器测量精度、拓展测量对象提供了重要支撑和广阔的发展空间.     

基于TS-DFT高速光谱解调的FBG温度分布检测

基于时间拉伸-色散傅里叶变换（time-stretch dispersive Fourier transformation,TS-DFT）技术实现了光纤布拉格光栅反射谱高速解调。解调系统由锁模激光器、环行器、色散补偿光纤、参考光栅、传感光栅以及数据采集和处理模块组成。实验得到了传感光栅在不同温度场下的时域映射光谱,通过与光谱仪测量光谱对比,验证了系统高速光谱解调能力,解调速率为51.2 MHz。结合光谱反演算法得到了沿光栅轴向的温度分布,空间分辨率为200μm,实现了传感光栅高速、高空间分辨率温度传感。     

微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究

基于光纤结构的表面等离子激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光纤SPR传感器的理论,介绍了本课题组在该领域的研究进展,包括利用光纤和毛细管SPR传感器、图像式光纤SPR传感器、多通道光纤阵列SPR传感器、自补偿SPR传感器、智能手机SPR传感器及啁啾倾斜光纤光栅SPR传感器等,总结了基于光纤微结构的SPR传感器的研究现状,分析了需要解决的问题,并对未来的发展趋势.     

前言

正本专辑系上一期"光纤传感技术专辑(1)"的继续。本专辑共发表8篇综述长文,其中4篇分别为氢气传感器、分布式光纤声波传感技术、光纤受激布里渊散射、蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展,另4篇属"光纤上的实验室"(lab-on-fiber),具体内容如下:光纤类氢气传感器是光纤传感器研究热点之一。在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求。《面向应用的光纤氢气传感技术》一文依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉     

光纤光栅三维拉力传感器设计

基于光纤光栅传感技术设计了一种用于监测变电站套管受力状态的光纤光栅三维拉力传感器.通过有限元仿真和实验测量结合的方式,实现了三维拉力传感器解调的设计和测试,在3个方向的灵敏度为0.01～0.02 με·N^-1.对传感器进行加载测试,测试结果与加载结果基本一致,在600 N加载范围内平均误差为5.13%,光纤光栅三维拉力传感器能够实现对三维拉力的准确测量.     

面向应用的光纤氢气传感技术

光纤类氢气传感器因基于光学原理,具有本质安全和无电磁干扰的特性,成为氢气传感器研究的热点,在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求.依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述了微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)型等4种不同光纤类氢气传感器的原理和研究进展.详述了近几年在光纤类氢气传感领域的工作,包括应用于高浓度氢气监测的钯合金型光纤氢气传感器、应用于中低浓度氢气报警的掺铂三氧化钨型光纤氢气传感器、应用于超低浓度痕量监测的三氧化钨-钯-铂纳米复合薄膜型光纤氢气传感器.对比3种技术方案的研究现状,分析需要解决的问题并对应用前景进行了展望.     

波长编码型光纤传感器高精度解调技术研究进展

介绍了波长编码型光纤传感器高精度解调技术的最新研究进展,所涉及的解调技术能够实现对波长编码型光纤传感单元阵列的亚纳应变级分辨率的测量能力.首先回顾了光纤光栅应变传感技术,分析了高精度光纤应变传感器所选用的敏感元件;然后介绍了前馈式扫频激光线宽压缩技术和闭环轮询式探测技术,详述其理论原理、实现方案、性能指标;最后介绍了基于上述技术实现的高精度光纤应变传感系统实现地壳形变观测的应用实例,为各类高性能光纤传感器的研究与应用提供参考.     

光纤气泡微腔传感技术

基于光纤气泡微腔的干涉仪在光纤传感领域中已经获得广泛关注.结合最新研究进展,给出了一种电弧放电法制备光纤气泡微腔的新技术,该技术仅利用商用光纤熔接机且无需辅助设备.系统研究了基于光纤气泡微腔的法布里-珀罗干涉仪的工作原理、制备方法及传感应用,实现了基于矩形气泡微腔的光学回音壁模式谐振器,进一步完成了腔模式的应变调谐.     

拉锥光纤传感技术

拉锥光纤传感技术作为一种新兴的传感技术,在电力、石油化工、生化、航空航天、环保、国防等领域有着重要的应用价值并逐渐成为当前国际上的研究热点之一.与普通光纤相比,拉锥光纤的模场直径为微米或纳米量级,极大地增强了光在光纤中传输时的倏逝场,从而显著提高此类光纤传感器的灵敏度及响应速度,缩小了光纤传感器的尺寸,使其在传感应用中更具优势.该文分析并讨论了拉锥光纤传感器的理论基础、关键技术及相关应用.主要内容包括:1)阐述了微米光纤耦合传感器的原理、制备工艺及折射率和温度传感特性.2)讨论了单模-多模-单模及单模-拉锥多模-单模光纤结构的传感原理并实现了一种基于单模-拉锥多模-单模的高灵敏度折射率传感器.3)为拓展拉锥光纤传感器的应用范围并提高其空间分辨率,发展了一种半拉锥光纤传感器微探头.4)介绍了拉锥光纤在光通信及微操纵等方面的应用.     

基于强度调制的光纤激光折射率传感器

提出了一种基于光纤布喇格光栅与多模凹锥光纤级联结构的低探测极限光纤激光折射率传感器。采用光纤环形激光器内腔调制技术,获得了稳定、高边模抑制比和窄半峰全宽的激光信号,量化研究了有源结构下凹锥直径与液体折射率变化间响应关系。当凹锥直径为30.53μm时,最大折射率灵敏度可达-128.636 dB/RIU。考虑3σ噪声条件,实际探测极限可达8.49×10^-4 RIU。该传感器具有输出稳定和低温度串扰的优点,在生化传感和环境监测等方面具有潜在的应用前景。     

光纤光栅测头信号解调方法及实验研究

光纤布喇格光栅触发式测头是一种新型测头. 传感信号解调是光纤光栅作为敏感元件应用于测头的关键技术之一. 在光功率与波长漂移量函数关系的基础上,借助双频激光干涉仪、纳米级的微动平台对试制的测头进行FBG自解调实验. 结果表明,研制的测头分辨率达到100nm,验证了光纤布喇格光栅应用于触发式测头的可行性.     

非平衡全光纤干涉仪臂长差测量方法的研究

简要分析了非平衡光纤马赫曾德干涉仪的工作原理,指出了输出干涉谱与臂长差间的联系,并用实验验证了这种关系,实测结果与预期值一致。系统测量精度20μm。该技术将有利于研制既有理想的传感分辨率,又有较高对比度的用于光纤光栅传感解调的全光纤扫描干涉仪。     

光纤光栅技术在玻璃幕墙边缘检测应用

针对玻璃幕墙结构胶老化、失效以及高风压载荷导致的玻璃脱落等安全事故问题,提出了一种基于光纤光栅传感技术检测玻璃幕墙边缘动态应力变化的方法,构造了玻璃面板边缘应变与结构胶之间的多模态耦合模型,从而预测玻璃幕墙结构安全状况.通过对比分析多模态应变的仿真与实验结果数据可以得到：准分布光纤光栅能够给出结构胶的失效位置,提前对玻璃幕墙结构胶的健康状况进行安全性能评估与反馈.由此可及时更换处理失效玻璃,减少玻璃幕墙脱落事故,在减少经济损失的同时提升了玻璃幕墙的安全性,具有实际价值.     

温度对双芯布拉格光纤光栅二阶偏振模色散影响的研究

应用了一种对称结构的双芯光纤,写入对称的光栅,形成双芯布拉格光纤光栅.实验研究其在不同温度下的反射谱线和二阶偏振模色散(PMD)随波长变化曲线,分析了二阶PMD随温度变化的情况.实验表明,二阶PMD随着温度的变化而改变,温度增加两峰中心波长的漂移程度相同,其他因素无明显变化,二阶PMD中心波长峰值随温度增加成线性向长波长方向漂移.研究结果对双芯光纤光栅温度传感的应用提供了一定的指导意义.     

金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究

介绍了光纤光栅温度传感器的金属管封装技术,通过实验研究其温度传感特性.采用热膨胀系数不同的内径r=1 mm,壁厚d=0.5 mm,长度L=100 mm管式结构的金属材料对光纤光栅进行贴壁封装实验时,得到黄铜管封装的传感灵敏度为14.9 pm/℃,紫铜管封装的为14.6 pm/℃,不锈钢管封装的为12.0 pm/℃,它们...     

分布式光纤传感技术综述

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,传感光纤集传感与传输于一体,可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息,单根光纤上能获得多达数万点的传感信息。本文介绍了分布式光纤传感技术的国内外进展,重点阐述了基于瑞利后向散射和干涉式的分布式传感各自的技术优缺点。     

长周期光纤光栅的发展概况

介绍长周期光纤光栅基本工作原理、器件特性和制备方法，同时对这种器件在光通信和传感系统中的应用状况作了简要概述。     

采用光纤光栅的光交叉连接节点中的同频串扰

从均匀光纤光栅滤波器的窗口函数出发,研究了基于光纤光栅解复用器的光交叉连接中由于光栅非理想滤波特性引起的同频串扰问题,推导了两类同频串扰(同源相干串扰和非同源串扰)同时影响下的系统功率代价表达式,并由此计算了光栅耦合系数、光栅长度及偏振匹配因子等对系统性能的影响.