亞波長直徑微納光纖強倏逝場傳輸的光學特性,使其對周圍介質折射率的變化具有極高的靈敏度.本文提出一種基于微納尺度光纖布拉格光柵(mnfbg)的折射率傳感器,結合微納光纖倏逝場傳輸和光纖布拉格光柵(fbg)強波長選擇的特性來實現高精度折射率傳感,對其制備可行性進行了討論.論文中對mnfbg折射率傳感機理進行了深入的理論分析,并使用optigrating軟件進行了數值模擬,模擬數據顯示mnfbg折射率測量的靈敏度隨著光纖半徑的減小而增加,其中光纖半徑為400nm的mnfbg靈敏度可達到993nm/riu,相比于包層蝕刻的fbg靈敏度增加了170倍,說明mnfbg對發展微型化、高靈敏度折射率傳感器具有良好的應用前景.

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結果。而對于溫度變化對折射率測量結果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

由法拉第效應原理,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關損耗(pdl),可以測得磁感應強度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實驗驗證了fbg固有偏振相關損耗的特點。利用瓊斯矩陣法理論推導了fbg在既有雙折射又有磁場影響時,輸入線偏振光偏振態的變化規律。通過對偏振相關損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對磁場測量的靈敏度產生影響,而與磁感應強度的線性關系并未發生變化。

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(約1.333～1.360)對折射率與溫度同時測量的理論模型,分析其主要結構參數對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結果表明,可通過減小腐蝕區的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時會降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎上,設計并制作一個單端腐蝕fbg,進行相應實驗研究,實驗結果與仿真結果一致。

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實驗中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對外部折射率的變化關系。實驗結果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內,包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

根據耦合模理論和瓊斯矩陣與斯托克斯矢量的關系給出單模均勻光纖布拉格光柵(fbg)反射和透射斯托克斯參量公式,數值模擬出低雙折射單模光纖均勻fbg在不同雙折射值下反射和透射斯托克斯參量隨波長變化的曲線。結果顯示4個歸一化斯托克斯參量中,s1關于中心波長λ0呈反對稱分布,s0,s2和s3關于λ0呈對稱分布;雙折射值增大譜線不產生漂移,但譜線反射帶寬變窄,反射信號與透射信號斯托克斯參量振幅均有不同程度的變化,表明雙折射值對斯托克斯參量的影響非常顯著。測出單模光纖均勻fbg反射和透射斯托克斯參量隨波長變化曲線,理論分析與實驗結果基本符合。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調方法的優缺點。

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數據采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權波長計算等關鍵步驟來實現波長解調技術,進而完成溫度、應變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結果表明:該系統功耗低、線性度好、波長解調精度與分辨率較高。經過長期測試,系統軟硬件運行穩定可靠。

提出了一種基于級聯長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調系統。級聯長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區監測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統具有結構簡單、價格低等優點,但易受光源抖動及系統其他不穩定因素等帶來的系統噪聲的影響。為消除系統噪聲帶來的不利影響,對該系統進行了改進。改進系統利用級聯長周期光纖光柵的兩個線性區同時監測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統及其改進系統對溫度進行監測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結果表明改進系統能有效消除系統噪聲,提高系統的精度。

基于光纖光柵傳感技術,采用光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預應力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;對比分析了傳統傳感技術與光纖光柵傳感技術的測試結果。結果表明:傳統傳感器和光纖傳感器實橋測量結果與計算結果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態;且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現加載過程的實時連續監控。

根據理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數學推導,得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數與光纖光柵反射光譜的關系。仿真結果顯示了固定參數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,比現今分布式傳感系統中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個數量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統,可大大提高分布式傳感系統中光源的帶寬利用率,消除各信號間的相互串擾,提高傳感光柵復用數目,降低解調系統成本。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調光纖f-p濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調系統的硬件結構和軟件設計。采用三星公司的s3c44box對經過可調諧f-p腔解調后的波長信息進行采集,并對得到的數據進行處理。實驗結果表明系統可以滿足一般的工程要求。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據鍍nifbg的特點,分析了鍍nifbg溫度變化時的應力應變,從理論上推導出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應力和應變與溫度變化成線性關系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應力應變進行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結果。

兩電流產生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應,解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結果表明該傳感器結構是可行的。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關損耗(pdl)特性。運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損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數和雙折射量的變化性質。光柵反射光的偏振相關損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現出來,特別是帶邊比較陡峭時。結果表明,光柵的有效偏振相關損耗明顯地依賴于光柵的結構參數和雙折射量。光柵的有效偏振相關損耗隨光柵長度和調制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時,光柵的有效偏振相關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,光柵的有效偏振相關損耗的兩個主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實驗結果與理論模擬基本吻合。

采用數值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩開關特性。從耦合模理論出發,利用jacobi橢圓函數法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩開關特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關特性的失諧量、耦合系數和光柵長度等參數進行分析,研究結果對于分析和構建非線性雙穩fbg光開關具有一定的意義。

從布拉格光柵方程出發,理論上分析了在溫度、應變雙參量同時測量時,考慮溫度-應變交叉靈敏度、二階應變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應變測量的誤差的一般數學公式.結合實驗數據進行了溫度和應變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應變范圍內對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應變呈線性關系時,溫度變化和應變的范圍.

提出了基于可調激光器和聲光脈沖調制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統,同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統的傳輸距離,達到了300km的超長距離傳感。該系統通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統在低于275km長度時獲得了大于15db的優良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統在100,200,250,300km處的靜態應變實驗中,線性度均達到了0.999以上。系統可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應用。

針對傳統骨骼形變監測技術中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現體內長期監測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監測的實現原理及應用方式.基于fbg應力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應變交叉傳感的問題.實驗表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產生的彎曲形變具有明顯的線性對應關系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結果對發展微型、實時、集成骨骼健康監控具有一定的參考意義.

推導并驗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的表達式。基于種子光柵中心波長對應的折射率調制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調制函數的傅里葉級數展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調制深度和各階光柵周期,從而導出其反射峰值波長的表達式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結構參量,因而表達式能夠描述反射峰的分布。仿真實驗中,不同占空比或取樣周期下計算出的反射峰值波長、信道間隔符合數值反射譜。該表達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。

載流導線在磁場中產生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應強度。雙fbg通過補償溫度效應,解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現啁啾現象,又避免了自身重量和導線重量對測量結果的影響,從而減少了測量誤差。該系統傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結果表明,該傳感器結構是可行的。

根據導波光的微擾理論得到了線雙折射磁光光纖光柵中導波光耦合模方程,并給出了其解析解。借助于歸一化斯托克斯參量,研究了線雙折射與磁圓雙折射對光纖光柵中光偏振態的影響。研究表明,線雙折射磁光光纖光柵中存在左旋和右旋兩個本征的橢圓光偏振態,線雙折射或磁圓雙折射的大小只引起本征偏振態橢圓率的變化,而不改變主軸方位角。通過調節磁光光纖光柵中兩種雙折射的相對大小可方便地控制輸出導波光的偏振態,從而使磁光光纖光柵在光纖通信與傳感中具有廣泛的潛在應用。