半腐蚀长周期光纤光栅光谱特性研究

基于长周期光纤光栅(LPFG)包层有效折射率与包层半径的良好相关性,提出一种半腐蚀长周期光纤光栅的新颖设计。将一根长周期光纤光栅分成等长的两部分,用HF酸腐蚀其中的一半区域,此时整根LPFG可看成具有不同谐振波长的两个半长度LPFG的级联。利用传输矩阵方法和三层介质光纤模型的色散方程分析了该种LPFG的光谱特性:随着腐蚀段包层半径的减小,两个分裂峰谐振波长之间距离增大,且模式越高间距越大。同时实现了应变和温度的同步测量,得到应变和温度的传感精度分别为±8.9με和1.4℃。因此半腐蚀LPFG传感器可为解决LPFG交叉敏感问题提供有效方法。     

大空气孔微结构光纤光栅反射谱分析

采用有限元方法和耦合模理论,分析了圆型大空气孔微结构光纤Bragg光栅的光谱特性,并进行了数值计算.结果表明,随纤芯半径的增大,此类光纤光栅纤芯模式和包层模式的谐振蜂向长波长方向漂移.随包层空气孔半径的增大,包层谐振峰向长波方向漂移,并逐渐趋于稳定值.随包层空气孔中填充材料折射率的增大,纤芯模式谐振峰中心波长不变,而第...     

基于光子晶体光纤长周期光栅的双参数传感技术研究

利用高频CO2激光脉冲在折射率引导型的光子晶体光纤(PCF)上写制了长周期光栅(LPG),产生多个谐振峰。实验观察和理论分析均表明,这些峰是源于纤芯LP01模式向高阶纤芯LP11模式的耦合。通过研究产生的两个谐振峰随外界温度、弯曲、折射率和轴向应变的变化发现,LPG只对温度和轴向应变敏感,从而实现对弯曲和折射率均不敏感且能同时测量温度和应变的双参量传感器,减小了交叉敏感,其温度和轴向应变的灵敏度分别为10 pm/℃和-4.0 pm/με。     

非均匀温度场下升余弦变迹FBG的光谱响应研究

基于模式耦合理论,采用基于光纤布拉格光栅(FBG)的二层圆光波导模型,通过转移矩阵法实现数值仿真得到升余弦变迹FBG在几种典型非均匀温度场下的反射谱。处于非均匀温度场下的FBG其纤芯、包层的有效折射率及光栅周期都会发生非均匀变化,因此其反射谱结构也会发生相应变化。仿真结果表明:非均匀温度场中升余弦变迹FBG反射谱与其温度梯度系数ΔTmax有很大关系,与均匀温度分布相比,其反射率明显下降,反射带宽明显展宽,反射峰出现分裂以至振荡;最大反射率随ΔTmax的增加呈非线性减小,其对应波长与温度梯度系数ΔTmax成正比,且不同的温度场对应不同的变化率,如线性温度场中其变化率约为0.004nm/℃,中心对称二次方分布温度场中变化率为0.006 5nm/℃。研究结果对于升余弦变迹FBG实现非均匀温度场的测量有重要意义。     

中央空气纤芯半径对PBG-PCF基模特性调节研究

为数值研究中央空气纤芯半径对六重对称带隙导光型光子晶体光纤基模特性的调节,采用全矢量平面波与多极方法分别计算出该类光纤的带隙结构及不同中央空气纤芯半径时可能存在基模的有效折射率,由有效折射率分析了基模色散、非线性和限制损耗特性。数值结果表明,中央纤芯半径越大,色散越大,长波长段色散随入射波长在零色散附近振荡变化,在某一特定波长时非线性系数随中央纤芯半径的增大而增大;基模限制损耗总体随入射波长的增大而减小,在某些纤芯半径处出现振荡特性。     

交替温度对FBG性能蜕化的影响机理及试验研究

纤芯折射率调制深度是影响布拉格光纤光栅(FBG)蜕化的唯一参数,仿真分析了折射率调制深度对反射谱峰值、过零带宽的影响。利用能级跃迁理论揭示了环境冲击引起势阱电子溢出,进而引起折射率调制深度减小的FBG性能蜕化连环影响机理。设计了试验系统,利用高低温循环试验分别对4个不同应变工况下的FBG进行加速蜕化作用。实验结果表明:温度循环交替冲击会使FBG产生较快的蜕化现象;在各个蜕化阶段,应变越大的FBG蜕化效应愈明显,施加应变为1 500με的FBG在1 000个交变循环后,反射光谱几乎就难以识别,失去传感能力。     

基于两种光纤介质模型的长周期光纤光栅传感特性分析

仿真分析了单轴晶体光纤的两层介质模型与三层介质模型所得纤芯模有效折射率的差别,并基于该差别对长周期光纤光栅的外界环境折射率、温度和轴向应变传感灵敏度进行了仿真分析。结果表明,对两层、三层介质模型的纤芯模,尤其对薄包层光纤有效折射率有较大差别;用两层介质模型和/或材料的折变系数计算所得的长周期光纤光栅的外界环境折射率、温度和轴向应变灵敏度有较大的误差,需应用三层介质模型以及模式的有效折变系数进行准确计算。据此计算了上述3种传感灵敏度与光纤包层半径及包层模序数的关系。为长周期光纤光栅传感器的分析设计提供了指导。     

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。     

光纤Bragg光栅传感器在矿井巷道锚杆应变监测中的应用

针对目前矿井巷道普遍采用的机电类传感器存在的检测灵敏度低、抗干扰能力差、使用寿命短等不足,提出将光纤Bragg光栅(FBG)传感器应用于煤矿巷道支护锚杆的应变监测中。光纤Bragg光栅的谐振波长与光栅的周期以及纤芯的有效折射率有关,当这些参数由于外界应力的变化而发生改变时,其谐振波长会相应发生变化,因此通过检测谐振波长的变化量,即可实现对应变的传感监测。模拟实验表明,光纤Bragg光栅传感器监测结果准确,为矿井巷道支护锚杆的应变监测提供了一种行之有效的方法。     

少模光纤布喇格光栅的光谱特性研究

相较于传统的单模光纤布喇格光栅(FBG)传感器,少模FBG传感器在测量时不易受到外界无关参量的影响,精度更高,但其在光栅参数设计上缺乏相应的理论依据。针对此问题,基于FBG耦合模理论,利用OptiGrating和Matlab软件模拟分析了纤芯中存在LP₀₁模、LP₁₁模的少模FBG的反射谱。仿真结果表明:区别于传统单模FBG的单峰结构,少模FBG的反射谱具有三峰结构,光栅周期、光栅长度和折射率调制深度的变化会对各波峰的反射率及中心波长产生规律性的影响。