基于布里渊散射理论的分布式测量技术

一、前言 BOTDR是基于布里渊后向散射理论而开发的分布式光纤测试设备。根据布里渊后向散射理论,在布里渊散射中,散射光的频率相对于注入光有一个频移,该频移称为布里渊频移。布里渊散射光频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。     

基于2×2光纤耦合器和磁流体薄膜的磁光开关理论与实验

提出一种基于2×2熔锥型光纤耦合器和磁流体薄膜的光纤磁光开关.理论分析和实验结果表明,当锥形耦合区外部磁流体薄膜折射率随外加磁场变化时,耦合器的输出光功率会发生相应的改变,可以实现光的开关功能.数值计算与实验测量结果基本一致,其开关隔离度大于26 dB.     

双泵浦光纤参量放大器中泵浦与光纤长度选取的研究

研究了强非线性色散位移光纤和光子晶体光纤中的光纤参量放大增益特性.结果表明,在泵浦光功率低于受激布里渊散射阈值的条件下,当两泵浦光功率相等且功率之和与光纤长度的乘积满足某一特定值时,可得到最佳增益谱平坦性、增益峰值、增益带宽等参数;适当改变光纤长度或泵浦光功率,可以优化光纤参量放大.     

掺镱光纤放大器中受激拉曼散射的数值分析

采用描述泵浦光、信号光和Stokes光的稳态速率方程组,对不同光纤参数及泵浦光参数下掺镱光纤放大器内的泵浦光、信号光以及Stokes光沿光纤轴向的演化进行了数值分析.结果表明:受激拉曼散射的发生会导致信号功率在达到增益饱和之前迅速下降;增大泵浦功率,采用掺杂浓度较高的掺镱光纤以及较大吸收截面的泵浦光可以在较短光纤内获得较好的信号放大而避免受激拉曼散射的发生.     

光纤传输系统中的SPM 与XPM 效应分析

由于光纤具有非线性传输特性，根据光纤中的三阶非线性效应(Kerr效应)导致的材料折射率的改变，分析了自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)效应的产生机理，指出了由于一个波长的功率变化会引起同一光纤中其它波长光信号的变化，以及采用这种现象实现光纤孤子传输及全光波长变换(AOWC)的方法。     

测量光纤吸收损耗和散射损耗的一种简单有效方法

我们使用光声光谱方法研究了光纤的损耗。在理论上分别给出了光纤的吸收和散射所产生的光声信号的表达式，以及吸收系数和散射系数的计算公式。测量了在５１４．５ｎｍ和６３２．８ｎｍ波长上的光吸收和光散射的光声频率特性曲线及校正绝对吸收系数用的康铜丝的光声频率特性曲线，其实验曲线斜率均与理论计算值接近。我们也计算了芯径为０．８ｍｍ，长略大于２０ｃｍ的塑料光纤在６３２．８ｎｍ的吸收损耗为９．２９ｘ１０－４ｃｍ－１（合４０６ｄＢ／Ｋｍ），这与国外报导的吸收损耗的测量结果一致。     

基于FPGA的分布式光纤传感器的系统搭建

本文首先通过介绍光纤中瑞利散射和受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)原理,然后分析了光纤中的后向瑞利散射光功率和SBS信号光功率与温度和应变的关系,最后基于上述原理和分析搭建了一个基于FPGA的分布式光纤传感器系统。     

光栅光纤火灾探测系统在原油储罐上的成功应用

通过对光栅光纤火灾探测系统的应用分析,通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布,改变或控制光在该区域的传播,将储油罐温度变化通过光信号传回控制系统,并与消防系统进行联动,达到自动火灾探测灭火功能。同时该系统具有体积小、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、无电传输、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点,现已被成功运用于中哈原油管道原油储罐的火灾探测系统。     

微纳光纤-金膜-氟化镁结构的光纤SPR温度传感器研究

为了提高光纤表面等离子共振温度传感器检测的适用条件，减少传感器对待测传感参量折射率的限制，避免引入对温度敏感的低折射率媒介，本文中将具有大倏逝场的微纳光纤放置于蒸镀金属膜的氟化镁衬底上，得到光纤表面等离子共振温度传感器结构。结果表明：通过使用传输矩阵的理论模型计算该结构中光纤折射率和氟化镁折射率变化对透射率影响，结合光纤和氟化镁的热光系数，分别得到约118、35 pm/℃的温度灵敏度，在光纤折射率增大对透射谱产生蓝移和氟化镁折射率增大对透射谱产生红移的共同作用下，该传感结构综合得到约153 pm/℃的传感器灵敏度。通过计算明确金膜厚度、光纤直径和光纤-金膜接触区宽度等不同的结构参量对透射率的影响。     

基于双折射基片的微纳光纤起偏器研究

给出了一种以双折射晶体为衬底,实现高消光比的微纳光纤起偏器的方法.利用双折射晶体为衬底,研究了在不同折射率和半径的微纳光纤中传播的光波的偏振特性.当采取的微纳光纤的折射率在双折射晶体的寻常光折射率和非寻常光主折射率之间,且光纤和晶体光轴夹角足够大时,可以实现在微纳光纤中起偏.改变微纳光纤半径以及光纤和双折射晶体光轴之间的夹角可以对消光比进行调控,半径越小,消光比越大;角度越大,消光比越大.对于半径为2.1μm微纳光纤,最大的消光比为22.74dB.     

基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器

针对扭转角度的精确测量问题,提出一种基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器.采用对温度不敏感的保偏光子晶体光纤作为扭转角度的传感单元,当保偏光子晶体光纤被旋转一定角度时,其双折射值会发生改变,进而影响光在环镜系统内的干涉情况,最终表现为光谱仪上干涉谱的移动.理论推导出系统的传感规律后,实验测得该传感器在扭转角度为0°~101°的范围内,灵敏度为0.061 7 nm/(°);若光谱仪分辨率为0.01 nm,则系统最小分辨力为0.16°,并具有超低的温度灵敏度-0.6 pm/℃.该角度传感器具有体积小、成本低、对温度不敏感及可用于远距离传输等优点.     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

湿腐蚀法制备U形塑料光纤折射率传感器

为提升折射率测量灵敏度、方便测量,通过湿腐蚀法制备了高灵敏度的U形塑料光纤折射率传感器.从理论上分析了多模塑料光纤宏弯曲折射率传感器的原理,利用射线法对塑料光纤中传输光场进行近似,获得多模塑料光纤宏弯曲模式损耗的表达式.采用丙酮和甲醇混合溶液作为腐蚀剂,利用湿腐蚀法对塑料光纤进行处理,观察不同腐蚀剂浓度腐蚀后光纤表面形貌,得到最佳腐蚀剂浓度为丙酮浓度80％.采用热定型法对腐蚀后的光纤进行宏弯曲处理,通过改变光纤芯径及弯曲半径优化传感器性能.利用655 nm红光激光器作为光源对其灵敏度进行测试,在1.30 ～1.45的较大折射率范围内,得到最佳灵敏度为618％/RIU(RIU为折射率单位).实验结果证明,通过宏弯曲处理可以使传感器灵敏度得到提升,并且U形探头使测量更加方便,可以广泛应用于折射率传感领域.     

基于喇曼散射的分布式光纤温度检测系统的研究

本文综述了当前基于后向散射的分布式光纤温度检测系统的理论基础,分别是基于后向喇曼散射、后向布里渊散射和后向瑞利散射类型的传感器.分析了目前研究较多最为成熟的基于喇曼散射的分布式光纤测温系统,根据对光纤传感器中弱光信号特点的研究,指出在保证温度分辨率的前提下缩短系统温度响应时间的方法,改善了系统的信噪比,提高了系统的实用性.     

声光调制的光学双稳态实验研究

本文论述了双声-光调制,位相延迟等构成的一种新的双稳态系统,并对声-光调制及光信号的接收、调制的相位延迟和利用副载波调制激光光强载波的机制进行了实验。声-光调制器:某些晶体和液体由于机械形变会显出折射率的改变,声波和超声波通过此种介质时,会使介质密度呈疏密交替变化,从而引起折射率相应变化。某一时刻的折射率分布决定于该时刻的声场分布,但对从侧面入射而通过介质的光束而言,由于光速很大,在光通过声束的时间间隔内,声波场变动极小,可视为不变。因此,介质成为一位相光栅,光束通过后发生衍射现象。当超声频率较低,光束垂直于声波传播方向入射,并且通过声束程长较     

基于反馈环全光纤干涉的一种新型光声检测方法

提出了一种光声检测的新方法,这种检测方法的拾音器部分主要采用了单模光纤,通过带有反馈环的全光纤干涉系统来放大光声信号.气体吸收腔则采用了在气体吸收红外指纹区具有较宽低损窗口的空芯光纤作为谐振光声池.基于光纤应变传感器的基本原理和弹光效应推导出光声换能公式,并搭建了整个实验系统进行测量,得到干涉信号的强度与声信号衰减趋势相同.根据实测结果进行了干涉信号强度与声信号强度的指数衰减曲线的拟合,得到了平均为0.98的较高的拟合度.比较了不同内径的空芯光纤光声池的实验结果,发现内径较大的光声池灵敏度更高.     

基于石墨烯和模间干涉的光纤气体传感器

为了实现对空气中有毒、有害气体进行精确监测预报,提出了一种石墨烯包裹的拉锥与错位级联型光纤气体传感器.包裹在光纤锥形传感区域的单层石墨烯和错位熔接的光纤导致的模间干涉,会使沿光纤表面传输的倏逝场得到大幅增强,提高了对折射率的灵敏度,其灵敏度可以达到1.2×10⁴nm.随着石墨烯表面吸附的气体分子量的增加,复合波导的有效折射率会发生规律性的变化,从而引起干涉波长的衰减和移动,进而通过检测输出光信号的变化而实现气体分子浓度的检测.研究表明,该传感结构具有体积小、机械强度好、光谱品质好、灵敏度高等优点.     

光纤损耗的测量和使用设备

光纤传输过程中,光信号沿光纤传输时,光功率的损耗叫做光纤的衰减。光纤损耗是光纤的一个主要传输参数,由于光纤有衰减,光纤中光功率随着距离是按指数规律减小的。光纤衰减测量的方法有多种,本文介绍了截断法和背向散射法。     

光纤陀螺中光源谱特性对后向散射的影响

就应用不同光谱特性的光源在光纤陀螺中所产生的瑞利后向散射噪声作了理论上的分析,并对用掺铒光纤超荧光宽带光源在光纤陀螺中的后向散射噪声也进行了分析比较,分析表明直接用光谱谱型付里叶变换法和用光谱模拟近似法计算后向散射噪声大小,结果十分接近。     

光子晶体光纤光栅在传感器系统中应用研究

光子晶体光纤光栅是一种新型的无源器件,可广泛用于光纤通信系统、光脉冲压缩、传感器及滤波装置中.采用耦合模理论对光脉冲在光子晶体光纤光栅中传播进行分析,给出光子晶体光纤光栅的制作方案,提出了光子晶体光纤光栅在压力传感器、折射率传感器、应变传感器和射流传感器等方面的具体应用.光子晶体光纤光栅对温度的敏感性比传统单模光纤传感器要低2至3个数量级,光子晶体光纤光栅传感器系统不需要温度补偿,传感器系统更为简洁而具备充分的优越性.