长周期光纤光栅应变特性的理论与实验研究

对长周期光纤光栅传输谱谐振波长的应变特性用耦合模理论进行研究,推导出谐振波长应变灵敏度的解析表达式。详细分析了影响谐振波长应变灵敏度的各种因素,并进行数值模拟,结果表明,可以通过选择具有合适纤芯与包层弹光系数匹配的特种光纤,从而制作出谐振波长对应变敏感或者不敏感的长周期光纤光栅。用高频CO2激光脉冲(20 kHz)结合三束对称写入技术在普通通信单模光纤中制作出长周期光纤光栅,并进行应变特性测试,测试结果表明,谐振波长和峰值损耗均具有线性响应的应变特性,灵敏度分别约为-0.66 nm/mε和0.69 dB/mε。基于传输谱线性响应的应变特性,长周期光纤光栅可用来制作光纤光栅应变传感器,由于峰值损耗对温度不敏感,因此在高温应变传感领域能发挥重要的应用价值。     

相移光纤光栅的反射光谱特性及其应用

使用二次曝光法或相位掩膜法制作的相移光纤光栅,可在光纤光栅阻带中打开一个狭窄的透射窗口,窗口位置可以随着相移量的大小发生改变。利用传输矩阵法的计算,对相移光纤光栅的反射光谱特性进行了分析,并且对如何利用相移光纤光栅的光谱特性进行多方面的应用给予了展望。这些结果将对相移光纤光栅的实际制作及应用有重要的指导意义。     

光纤Bragg光栅液位传感器的传输理论及数值模拟

针对一种光纤Bragg光栅的液位传感器,采用传输矩阵法和多层模法对光在传感器光栅段的传输特性进行了详细分析。将在液体中与空气中两部分光栅的传输矩阵和光栅边界处的传输矩阵依次相乘,得出整段光栅的传输矩阵,进而得到整段光栅的传输特性。利用Matlab对液位传感器光栅段的传输特性进行数值模拟,得出了光纤Bragg光栅的反射率变化量随液位变化的规律,为实验研究奠定了基础。     

长周期光纤光栅占空比对其光谱影响的理论分析

为了探究长周期光纤光栅占空比对其光谱影响的规律，采用对长周期光纤光栅的矩形波折射率调制函数作傅里叶级数展开的方法，分析了占空比对各阶级数振幅的影响，计算了光纤前20个一阶包层模式有效折射率并分析了其耦合常数变化规律，分析了谐波光栅谐振波长随折射率调制量增加的漂移规律，最后给出制作无额外谐振光栅或传感用光栅对光栅占空比的设计要求．研究结果表明对于某些特定周期的光纤光栅，存在与其谐波光栅基本满足相位匹配条件的包层模式．     

相移光纤光栅横向受力传感特性研究

对相移光纤光栅(PS-FBG)的横向受力特性进行了理论和实验研究.采用传输矩阵法分析了PS-FBG的传输特性,并建立了光栅横向受力数学模型.理论分析表明,光栅透射谱阻带中的透射窗口在横向受力时会产生光谱分裂,且分裂距离与所受横向压力的大小成正比关系.实验在0~1 N的横向压力条件下,获得了1.4×10-3N/mm的灵敏度,实验结果与理论模拟相符.     

用于光接收系统的超窄带光纤光栅滤光器的设计

对比于常用的原子共振滤光器和干涉滤光片,提出了一种基于光纤Bragg光栅(FBG)的用于空间光接收系统的新的滤光方案,采用耦合模理论分析了FBG的传输特性,用龙格-库塔法对光纤光栅进行了计算机数值仿真,重点设计了工作在短波长(532nm)的超窄带光纤光栅滤光器,对其光谱特性进行了优化,获得了很窄的带宽(0.01nm)、很高的峰值反射率(接近100%)和光滑、抑制边带的反射谱。     

用于光接收系统的超窄带光纤光栅滤光器的设计

对比于常用的原子共振滤光器和干涉滤光片，提出了一种基于光纤Bragg光栅（FBG）的用于空间光接收系统的新的滤光方案，采用耦合模理论分析了FBG的传输特性，用龙格－库塔法对光纤光栅进行了计算机数值仿真，重点设计了工作在短波长（532nm)的超窄带光纤光栅滤光器，对其光谱特性进行了优化，获得了很窄的带宽（0．01nm)、很高的峰值反射率（接近100％）和光滑、抑制边带的反射谱。     

长周期光纤光栅高温传感特性

为使温度传感应用范围更广、价值更大,分析了影响长周期光纤光栅温度特性的各种因素,用三束高频聚焦CO₂激光脉冲对称写入法制备长周期光纤光栅,并对温度特性进行了实验研究.结果表明,在23～700℃变化范围内,谐振波长温度灵敏度随温度升高而增强,高温处温度灵敏度比低温处增强了约72%,而平均温度灵敏度约为0.11nm/℃;峰值损耗对温度变化不敏感,在23～450℃范围内起伏不超过15dB,具有良好的高温稳定性和可重复性.基于这一良好的温度特性,此种长周期光纤光栅可以制成温度传感器,在高温传感领域有着较大的应用价值.     

光纤布拉格光栅的分析及其剥层算法重构

基于光纤光栅重构研究的必要性和重要性,从光纤光栅折射率调制原理入手,介绍了光纤布拉格光栅,研究了光栅的基本结构因素;对均匀调制光栅的传输矩阵分析法进行推导和阐述,同时对剥层算法的原理、步骤做了详细分析。基于剥层算法进行仿真模拟,实现了光纤布拉格光栅的重构,并使重构光栅的群时延得到缩短。     

长周期光纤光栅制备技术研究

利用准分子激光逐点写入法对裸光纤进行曝光，制作周期为298μm的长周期光纤光栅，光栅透射损耗峰最小半宽6nm。对激光器等制作工艺参数、环境条件和光栅长度等结构本数对长周期光纤光栅特性的影响进行了实验和理论分析。     

具有倾角的光纤光栅反射特性的研究

对具有倾角的光纤光栅的反射特性进行了研究。得到了耦合系数随倾角变化的关系式。随着倾角的增大 ,耦合系数会减小 ,反射谱的中心波长会向长波长方向移动 ,而反射谱的形状不发生改变。     

光纤光栅局部受温特性分析

应用传输矩阵法建立了光纤光栅局部受温时的反射谱变化模型,并进行仿真分析。理论分析表明：当光纤光栅某段所受温度瞬态变化时,其反射谱不再保持单个谐振峰,而是产生分裂点,且分裂点波长随温度的变化呈线性、周期性移动,同时给出了分裂点波长线性、周期变化的表达式。通过实验进一步研究,实验结果和理论分析相吻合。     

Numerical analysis of fiber Bragg grating and long period fiber grating undergoing linear and quadratic temperature change

The coupled-mode equations for fiber Bragg grating (FBG) and long period fiber grating (LPFG) undergoing linear and quadratic temperature change were given. The effects of temperature gradient and quadratic temperature change on the reflectivity spectrum of fiber Braggs grating and the transmission spectrum of long period fiber grating were investigated using the numerical simulation, and the dependence relationships of the central wavelength shift, the full-width-at-half-maximum, and the peak intensity upon temperature gradient were also obtained. These relationships may be used to design a novel fiber optical sensor which can simultaneously measure the temperature and temperature gradient.     

基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感研究

长周期光纤光栅是一种新型的无源光纤器件,对外界折射率敏感的特性使其可作为一种理想的光纤敏感元件。而磁流体具有明显的磁光效应,即具有在外界磁场作用下其折射率发生改变的特性。将磁流体与长周期光纤光栅相结合作为传感探头,提出了一种全新的磁场测量方法,并对其进行了深入的理论分析和初步的实验验证。实验结果表明,所提出的基于磁流体与长周期光纤光栅的磁场传感方法可以用于磁场和电流的测量。     

光子晶体光纤光栅谐振波长的特性研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化（间隙孔半径、层数）与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变而层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。     

长周期光纤光栅解调的FBG温度传感系统

长周期光纤光栅是特定波长范围内的线性滤波器件,该文设计了长周期光纤光栅解调的布拉格光纤光栅温度传感系统。在布拉格温度传感器中,布拉格光纤光栅的反射波中心波长随温度的改变会引起一定程度的漂移,设计布拉格光纤光栅的波长变化在长周期光纤光栅的线性吸收区域,可以使长周期光纤光栅对布拉格光纤光栅的反射波长的吸收随波长而改变,随后使用光电传感器可以得到电信号与温度信号的相对应关系,从而把温度信号转换成了电信号。对该系统的测试及仿真结果证明,该系统有很好的温度检测功能。     

啁啾光纤光栅的色散补偿研究

在光纤传输系统中,容量的扩大、速率的提高、距离的延长都与光纤的损耗、非线性效应、色散效应密切相关。随着掺铒光纤放大器的广泛使用,损耗问题基本得到了解决。由于光纤色散能够有效地抑制四波混频、自相位调制等非线性效应,对光纤通信系统进行升级扩容的关键是解决色散问题。根据耦合模理论对均匀光纤光栅和啁啾光纤光栅的反射谱进行了数值仿真,结果表明,啁啾光纤光栅的色散补偿性能优于均匀光纤光栅。设计了用啁啾光纤光栅对10Gbps光信号传输300km进行色散补偿的仿真系统。仿真结果表明：应用啁啾光纤光栅进行色散补偿能使光纤传输系统的性能得到显著的改善。     

High-Efficiency Two-Port Encapsulated Low-Contrast Grating withSuppressed Zeroth Order under Normal Incidence

在正常入射下高效率双通道封装型低对比度消零级光栅

龚博闻1,温惠英1,李宏韬2

（1.华南理工大学 土木与交通学院, 广州 510641）

（2,.暨南大学 光子技术研究院 广东省光纤传感与通信技术重点实验室,广州 511486）

中文说明：

本文介绍一种在正常入射下高效双通道封装型低对比度消零级光栅。基于这种光栅结构,在被设定周期为1860 nm时可以得到1级次TE和TM偏振光的高效率和光谱带宽。一方面,使用严格耦合波理论对一些精确的光栅参数进行数值优化;另一方面,利用简化模态法对封装型消零级熔融石英光栅的内部耦合机制进行充分解释。带有覆盖层的封装型光栅不是简单增加涂层,比较于被报道的表面浮雕式光栅,封装型光栅的所有参数被重新优化并且优化性能得到很好提高。因此,封装型光栅光纤在布拉格光栅写入的应用方面具有潜力。

关键词：封装型光栅;消零级;增强衍射效率;增强光谱带宽

     

Characteristics of Smart Concrete with Fiber Optical Bragg Grating Sensor

Based on the adrantages of the fiber Bragg grating sensing technology, this paper presents a principle of a novel smart corwrete with fiber optical Bragg grating sensor, analyses the theory and characteristics,illustrates the key technology and method to make the fiber Bragg grating sensor for the smart concrete, and proves the feasibility with experiments.The results inlicate that the smart concrete with fiber Bragg grating sensors is feasible in the structure monitoring and damage diagnosing in the long run.     

光纤光栅在GIS母线温度监测中的应用

为了对GIS母线运行状态提供一种有效的监测手段,提出了一种利用光纤光栅作为传感器的GIS母线温度监测方案.根据光纤光栅增敏原理,对比了几种不同增敏方案,设计了高性能的光纤光栅温度传感器,完成了GIS母线温度在线监测系统硬、软件设计.率定结果表明,光栅温度传感器灵敏度达到30pm/℃,迟滞低于10pm.温度标定实验与现场运行情况表明,该系统测温精度较高,系统运行稳定,能够准确监测GIS母线温度变化,提高了GIS安全运行水平.