反射式长周期光纤光栅弯曲传感器

长周期光纤光栅透射谱的损耗峰对温度、应变和弯曲等基本物理量敏感,已在土木工程、航空航天等领域应用。但由于该类器件主要利用透射光谱进行检测,传感系统复杂,限制了器件应用领域的拓宽。针对上述问题,设计了基于光纤末端粘接硅片式结构长周期光纤光栅传感器,可实现利用长周期光纤光栅反射光谱检测。试验表明该器件对弯曲敏感,此外,由于长周期光纤光栅采用飞秒激光逐点直写法加工,受物镜聚焦和光纤自聚焦影响,激光调制区域不对称,其弯曲传感具有明显的方向性。     

长周期光纤光栅带宽分析

对影响长周期光纤光栅带宽的因素进行了综合分析和拟合,结果显示纤芯半径、数值孔径、光栅周期和周期数对带宽的影响很大,在设计光栅时应主要考虑它们的影响.     

基于氧化石墨修饰长周期光纤光栅的传感特性

提出一种基于氧化石墨烯(GO)修饰的长周期光纤光栅(LPFG)传感器。利用氢氧化钠溶液对LPFG表面进行羟基化处理,采用氢键结合的方式使GO固定在光栅表面,形成基于GO修饰的LPFG传感器。实验研究了GO-LPFG对外部折射率及温度的响应特性,结果表明:该GO-LPFG的平均折射率灵敏度较未涂覆GO的LPFG提高1.09倍,温度灵敏度略有降低。随着光栅直径的减小,GO-LPFG的平均折射率灵敏度进一步提高。当光栅直径为108μm时,在折射率1.333～1.448内的平均波长和耦合强度折射率灵敏度分别约为38.99nm/RIU和57.33dB/RIU,与未采用GO修饰直径为108μm的LPFG及直径为125μm的GO-LPFG相比,其平均波长和耦合强度折射率灵敏度分别提高1.45,2.17,3.80和3.42倍。该GO-LPFG传感器在各种大分子量的病毒抗原蛋白、生物病菌等生物检测领域具有潜在的应用价值。     

长周期光纤光栅的折射率梯度响应特性

通过模式耦合理论,建立了基于长周期光纤光栅(LPFG)的二层圆光波导模型;结合传输矩阵法,仿真得到了外部介质折射率呈线性分布情况下LPFG的透射谱。仿真结果表明：该结构下的LPFG透射谱特性强烈依赖于外部介质折射率梯度,当外部介质折射率梯度升高,透射谱的损耗峰深度逐渐降低,损耗峰3dB带宽逐渐增加,且增加量与折射率梯度的增加量呈较好的线性关系;当外部折射率梯度由1.111 1×10-7 riu/mm增加到1.111 1×10-5 riu/mm时,其梯度灵敏度可达到2.2×107 nm·mm/riu。这一结果使折射率梯度的高灵敏度测量成为可能,为设计和制作基于LPFG的折射率梯度传感器提供了一定的理论依据,并有望用于生化反应中微小尺度下折射率呈梯度分布的液相介质的测量。     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.     

基于盒膜结构的微弯式长周期光纤光栅气压传感器研究

利用长周期光纤光栅(LPFG)谐振光谱随弯曲曲率变化的敏感特性,通过设计特制LPFG-膜盒封装结构,研制了一种基于微弯特性的长周期光纤光栅气压传感器.根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在0.02～0.25 MPa 气压范围内,长周期光纤光栅的透射率不断增强,透射谱中谐振峰幅值从16.712 dB降至6.495 dB,与所测气压值之间呈现良好对应关系,并且谐振峰波长也红移1.54 m,气压传感器的灵敏度可达到4.086 8×105 dB/hPa.该传感器系统在所测气压范围内显示出较好的灵敏性和重复性,能够满足气象及飞行器高度监测中对气压测量的要求.     

高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器的设计

为提高光纤光栅温度传感器的灵敏度,文中采取纤芯弹光系数大于包层弹光系数的长周期光纤光栅且在其包层外面涂覆一层随温度的升高折射率减小的薄膜材料,同时采用热膨胀系数大的金属封装光栅三种增敏措施。计算表明,增敏后的温度传感器其灵敏度系数为0.2375nm/℃,温度测量分辨力小于0.1℃。     

长周期光纤光栅及其在通信传感领域的新应用

长周期光纤光栅是一种新型光纤器件。介绍了长周期光纤光栅的耦合机理、制备方法以及应用。其耦合机理是前向传输的纤芯基模与前向传输的各阶包层模式之间的耦合。制备原理是对光纤横向曝光,使光纤的折射率指数在轴向发生周期性变化。阐明了长周期光纤光栅用于带通滤波、光上下路复用、光纤光源、光纤耦合、偏振器件、新型传感等新技术领域的思路,给出了具体实现方法。并通过与其他方案对比,说明了基于长周期光纤光栅器件的优点,肯定了长周期光纤光栅在通信传感领域的价值。     

相移长周期光纤光栅传输谱的仿真分析

相移长周期光纤光栅可以看作长周期光纤光栅和相移光栅级联而成,文中采用OptiGrating软件分析了相移长周期光纤光栅的周期和长度、折射率调制参量对相移长周期光纤光栅传输谱的影响规律.     

可调谐长周期光纤光栅滤波器件的研制

利用新型长周期光纤光栅进行了EDFA的动态增益均衡,根据新型长周期光纤光栅的可调谐性,提出了一种基于新型长周期光纤光栅温度特性的动态增益均衡器.研究已经发现高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅(LPFG)的谐振峰中心波长随温度变化呈线性关系.这种方法是用温度来调节新型长周期光纤光栅的谐振峰位置.开发了一种利用制冷器来实现动态增益均衡器的装置,设计了控制电路,机械机构和算法程序.     

机械感生长周期光纤光栅的实验

为了研究机械感生长周期光纤光栅 (MLPFGs) 的特性,利用机械微弯法写制了长周期光纤光栅.采用机械先加工技术制作了周期性压力槽,通过设计机械写制结构,制作了MLPFGs,并实验验证了周期性压力槽的周期、周期数以及外加应力等参数与MLPFGs透射谱的关系.最后, 研究了温度对带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs的影响.实验表明:MLPFGs的最大谐振峰值可达16 dB,插入损耗＜0.5 dB; 通过改变压力槽的周期,实现了谐振波长＞14 nm的调谐范围;带有涂敷层和无涂敷层单模光纤写制的MLPFGs谐振波长的温度灵敏度分别为 0.057 nm/℃,0.086 nm/℃,谐振峰值的温度灵敏度分别为 0.230 dB/℃,0.312 dB/℃.该写制结构能较好地控制MLPFGs的透射谱,同时结构简单、易擦除、成本低,在光纤传感领域具有一定的应用价值.     

Mini review: Recent advances in long period fiber grating biological and chemical sensors

As an important member of the optical fiber sensor family, long period fiber gratings (LPFG) have attracted increased attention due to their outstanding characteristics. The LPFG is a transmission fiber grating without backward reflection, and isolation is not required in the sensing system. The resonant wavelength and transmissivity of LPFGs are very sensitive to changes in refractive index, temperature, strain and transverse load, so they are widely used. In this article, recent advances in biological and chemical applications of LPFG sensors are described. Various methods for improving the sensitivity of LPFG sensors are summarized, such as reducing the diameter of the cladding and cascading. In addition, an important method involves the coating of the LPFG sensor with a specific recognition element for biomass detection or a sensitive metal film for chemical detection. The structural parameters and principles in the literature are discussed in detail. This article analyzes and compares the progress and deficiencies in the detection process and anticipates future developments.     

LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。     

Theoretical analysis for the influence of the core radius on long period fiber grating sensors

Abstract

The influence of core radius on refractive index sensitivity of long period fiber grating (LPFG) sensor has been studied theoretically for the first time, and a new method to fabricate LPFG sensor with high sensitivity is proposed. The structure and parameters of the optical fiber, the period of the gratings, and the coupling order of the cladding modes are all held consistent in the process of studying the change of the core radius. The resonant wavelength of LPFG sensor shifts with changes in the external environment, which is simulated by the transfer matrix method. The sensitivity of LPFG sensor is enhanced by more than 200 times when the core radius increases from 3.1 to 5.1?μm. The results show that LPFG sensors with larger core radii have higher sensitivity. Selecting a fiber with a large core radius to fabricate LPFG sensors is proposed as a method to improve the sensitivity of these devices. This new simple and effective method is expected to be widely used in the manufacture of high sensitivity LPFG sensors in the future.     

重复频率锁定的783 nm飞秒光纤激光器研制

设计并搭建了重复频率长时精确锁定的783 nm飞秒光纤激光器。该激光器基于全保偏非线性干涉环镜(NALM),实现掺铒光纤振荡器锁模脉冲输出,由与脉冲分离器级联的环境稳定掺铒光纤双级放大器进行功率放大,实现了平均功率1.30 W、脉冲宽度130 fs、重复频率77.1 MHz、1 560 nm脉冲输出;通过周期极化铌酸锂(PPLN)光学晶体倍频,获得了平均功率为0.52 W、脉冲宽度为140 fs、783 nm脉冲输出。通过重复频率监测及锁相环技术,进一步将掺铒光纤振荡器的重复频率溯源至参考铷原子钟,12 h内频率抖动峰-峰值为5 mHz、标准偏差为1.2 mHz。该激光器系统具有稳定性高、集成度高、体积小的特点。     

High sensitivity internal refractive index sensor based on a photonic crystal fiber long period grating

A high sensitivity method is reported for the measurement of the internal refractive index using a photonic crystal fiber long period grating. Long period gratings of different lengths were inscribed in photonic crystal fibers, and the air holes of the fiber had varying refractive indices. A side lobe appeared near the resonant dip through the analysis of the characteristics of transmission spectra showing variation in the refractive index. The resonant dip and its side lobe provided varying sensitivities to the internal refractive index values. The sensitivity of the side lobe was as high as 2343?nm/refractive index unit (RIU), which exceeded the value for the resonant dip (2047?nm/RIU) for refractive indices from 1.3333–1.3792. Due to the high resolution of 8.5?×?10^?6 RIU, this method offers promising applications for biological and chemical analysis in which high-precision refractive index measurements are required.     

808nm高亮度半导体激光器光纤耦合器件

针对单个808nm单管半导体激光器输出功率低,采用端面泵浦方式对光纤激光器进行泵浦时受到限制的问题,本文利用空间合束技术制成高亮度半导体激光器光纤耦合模块来提高808nm单管半导体激光器泵浦掺Nd3+双包层光纤激光器的效率。首先,通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直;然后,使用反射棱镜对每个激光器发出的光进行空间合束;最后,利用自行设计的扩束系统将合束后的光束进行扩束,聚焦进入光纤,从而极大地提高光纤耦合模块的亮度。实验中将4只连续输出功率为5W的单管半导体激光器发出的光束耦合进芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤,当工作电流为5.8A时,通过光纤输出的功率为15.22W,耦合效率达到74%,亮度超过1.4MW/cm2.sr。     

掺铒单模光纤飞秒脉冲激光器和放大器

为了获得一种被动锁模掺铒光纤振荡器及功率放大器,数值模拟出超短脉冲在光纤中的传输和演化过程,并基于此搭建了一种被动锁模掺铒光纤飞秒振荡器及功率放大器。实验获得了中心波长1560 nm、重复频率100 MHz、输出功率30 mW、脉冲宽度85 fs超短脉冲。通过采用PPLN晶体进行倍频,进一步获得了输出功率5 mW,中心波长780 nm的飞秒脉冲。该光纤激光器为全保偏光纤结构,具有体积小巧、可靠性高、稳定性好的特点。     

多波长光纤激光器的研究

以一种环形腔结构的 MW- EDFL为例 ,详细说明了多波长光纤激光器的结构特点、工作原理和研究现状 ,同时介绍了几种多波长光纤激光器的最新报道 ,并预言了多波长光纤激光器的广泛应用     

高灵敏度光纤磁场传感器的设计与模型研究

根据磁致伸缩效应和光纤腔衰荡技术设计了高灵敏度的磁场传感器。基于Jiles-Atherton模型、二次畴转模型和光纤衰荡技术波长解调原理,建立了磁场传感器的数学模型,模型反映了磁场-应变-光纤腔衰荡时间之间的耦合机制。对不同预应力作用下Terfenol-D棒的磁致伸缩输出应变、衰荡时间、系统灵敏度与磁场之间的变化规律进行了理论分析和仿真研究,结果表明,该传感器具有很高的灵敏度,可通过改变预应力实现不同量程范围内的磁场测量,研究可为发展新型的高灵敏度磁场传感器提供了理论指导。