提出了一種新的基于薄芯光纖模態(tài)干涉技術(shù)的光纖曲率傳感器。在單模光纖的中間部分插入薄芯光纖用于傳感光路,沒有插入薄芯光纖的單模光纖用于參考光路,以消除環(huán)境對曲率測量的影響。由于插入的薄芯光纖和單模光纖纖芯失配,導(dǎo)致包層的高次模被激發(fā),并與纖芯模在單模光纖內(nèi)形成干涉。當(dāng)改變薄芯光纖的曲率時,沿纖芯和包層傳播的模態(tài)和光纖長度會發(fā)生改變,使得干涉谷峰發(fā)生平移。將傳感光纖的兩端固定的平移臺上,當(dāng)調(diào)節(jié)平移臺距離時,薄芯光纖的曲率發(fā)生改變,導(dǎo)致干涉谷峰向短波方向平移。通過觀察谷峰的平移距離可以實現(xiàn)曲率的傳感測量。實驗表明,該裝置具有低損耗、低成本和高靈敏度的特點。

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(yīng)的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應(yīng)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(yīng)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(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)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(jié)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。

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(xué)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(guān)系。實驗結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),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(dá)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。

亞波長直徑微納光纖強倏逝場傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性,使其對周圍介質(zhì)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(jié)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(xiàn)高精度折射率傳感,對其制備可行性進(jìn)行了討論.論文中對mnfbg折射率傳感機理進(jìn)行了深入的理論分析,并使用optigrating軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬數(shù)據(jù)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(dá)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(fā)展微型化、高靈敏度折射率傳感器具有良好的應(yīng)用前景.

理論分析和模擬仿真研究了激光點火系統(tǒng)中光纖端面損傷、光纖初始輸入段損傷和光纖內(nèi)部損傷機理。結(jié)果顯示:端面損傷主要是由光纖端面的雜質(zhì)和缺陷引起;光纖初始輸入段損傷是由光束的初次反射造成光纖局部激光能量密度增大引起的;光纖內(nèi)部體損傷主要由于激光自聚焦效應(yīng)引起損傷和光纖受到的意外應(yīng)力產(chǎn)生微小碎片,吸收激光能量,引起光纖局部損傷。給出了激光點火系統(tǒng)中提高光纖損傷閾值的一般方法,主要包括光纖端面處理、設(shè)計合理的激光注入耦合裝置。

通過對幾種單模及多模光纖折射率分布測量方法的分析研究,得到單模光纖與多模光纖折射率分布測量方法的根本區(qū)別。由于單模光纖芯徑比較小,因而只能用波動理論分析其傳輸機理,其中的遠(yuǎn)場法和近場法測量都是基于標(biāo)量亥姆霍茲波動方程,即以單模光纖的基本傳輸理論進(jìn)行測量;而多模光纖由于其芯徑比較大,故而用射線理論分析其傳輸原理較為合理。多模光纖的折射近場法和近場掃描法均是以纖芯半徑處數(shù)值孔徑不同,對應(yīng)的折射模和傳導(dǎo)模不同為依據(jù)來進(jìn)行測量的。

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種新型傳感器.它與普通的傳感器相比,具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、防燃等優(yōu)點,因此在溫度、應(yīng)力、磁場等傳感領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.本文研究的光纖聲波傳感器,其基礎(chǔ)為mach-zehnder(m-z)全光纖干涉儀,我們主要的工作集中在傳感臂探頭的制作.所研制的基于m-z干涉儀的單模光纖聲波傳感器,可以對聲波的頻率和聲壓級(輸出電壓峰谷差值)進(jìn)行測量,頻率響應(yīng)范圍為4～5000hz,涵蓋了次聲波段,動態(tài)響應(yīng)范圍上限為100dba.

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計算其纖芯直徑和折射率的方法.實驗中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸?shù)膌p01、lp02模耦合所對應(yīng)的損耗峰,并將對應(yīng)的兩中心波長分別帶入色散方程,來計算同時滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測量光纖光柵參數(shù)提供了一種新的途徑.

對應(yīng)用于安全防范、石油管道監(jiān)測的干涉型光纖傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析,由于系統(tǒng)使用單模光纖,導(dǎo)致兩干涉臂輸出偏振態(tài)變化不一致,使得系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性降低.為此,對光纜設(shè)計以及成纜技術(shù)對系統(tǒng)輸出偏振態(tài)變化的機理進(jìn)行研究,建立了數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行仿真計算并通過環(huán)境模擬實驗驗證理論模型,為系統(tǒng)的光纜設(shè)計提供了理論依據(jù).

介紹了一種采用"單模光纖-多模光纖-單模光纖"結(jié)構(gòu)的強度調(diào)制型擾動傳感器,傳感光纖為多模光纖.以提高傳感靈敏度為目的,對強度調(diào)制的傳感原理進(jìn)行研究,并通過仿真及實驗驗證原理,得出使用相干光源、階躍折射率多模光纖、對軸熔接單模光纖和多模光纖可以得到傳感靈敏度很高的擾動傳感器.所述方案結(jié)構(gòu)簡單、傳感距離長,可應(yīng)用于各種擾動傳感領(lǐng)域,如邊界線、軍事基地、石油管道等.

介紹了數(shù)字式干涉型光纖傳感器高倍數(shù)條紋細(xì)分實現(xiàn),針對由于基本辨向電路的辨向分辨率低限制了細(xì)分倍數(shù)的問題,提出了一種新的辨向電路.仿真結(jié)果證明,這種新的辨向電路能夠?qū)崿F(xiàn)高倍數(shù)的辨向分辨率,滿足了數(shù)字式干涉型光纖傳感器高倍數(shù)條紋細(xì)分實現(xiàn)的要求,且可適用于傳統(tǒng)莫爾光柵細(xì)分技術(shù).

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(qū)(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(jié)構(gòu)參數(shù)對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應(yīng)的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結(jié)果表明,可通過減小腐蝕區(qū)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(chǔ)上,設(shè)計并制作一個單端腐蝕fbg,進(jìn)行相應(yīng)實驗研究,實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

提出了一種基于數(shù)字全息層析術(shù)的數(shù)字重構(gòu)方法。針對單模光纖(smf)的折射率分布具有軸對稱性的特點,可僅根據(jù)在任一與光纖軸向垂直的旋轉(zhuǎn)角度下從數(shù)字全息圖再現(xiàn)出的相位分布,采用層析算法重構(gòu)出與smf軸向垂直的折射率斷層分布。通過獲取smf的折射率斷層分布,就可獲取其折射率三維分布。與以往測量smf折射率分布的方法相比,本文方法具有對被測樣品無損、測量方法簡單及測量速度快等特點。理論分析與光學(xué)實驗結(jié)果均驗證了本文所提方法的有效性。

將長周期光纖光柵(lpg)和光纖sagnac環(huán)相結(jié)合,實現(xiàn)了折射率和溫度的同時測量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長周期光纖光柵(pm-lpg),然后把該pm-lpg和普通單模光纖耦合器組成sagnac環(huán),作為傳感單元。實驗選擇其某一透射峰作為測試對象,其波長隨溫度變化,強度隨折射率變化,因此可實現(xiàn)兩個參量的同時測量。實驗獲得的溫度靈敏度為-0.654nm.℃-1,折射率靈敏度為49.9db.riu-1。整個實驗系統(tǒng)成本低、簡單實用,具有較好的應(yīng)用前景。

設(shè)計了芯間距較小的特殊結(jié)構(gòu)四芯光纖,可用于生成格子光場或用于制作光纖傳感器.研究了在采用相干長度較短的ld光源的情況下,經(jīng)過一段既彎曲又扭轉(zhuǎn)的四芯光纖遠(yuǎn)程傳輸后的纖端光場干涉特性.基于疊加原理,出射光場可視為每個獨立纖芯的多光源相干疊加和圓孔衍射調(diào)制共同作用的結(jié)果,推導(dǎo)了相應(yīng)的理論公式,給出了四芯光纖遠(yuǎn)場干涉的理論與實驗相一致的結(jié)果.對光纖彎曲所導(dǎo)致的光程差累積和偏振態(tài)衰變效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論,并給出了相應(yīng)的實驗結(jié)果.

試制了一種帶狀雙芯光纖。根據(jù)帶狀雙芯光纖的結(jié)構(gòu)特點,給出了其在制作光纖器件及光纖傳感器上的典型應(yīng)用。利用有限元軟件仿真分析了帶狀雙芯光纖的雙折射特性,通過調(diào)整光纖模型的結(jié)構(gòu)參數(shù),給出了該光纖雙折射隨光纖包層厚度的變化而改變的趨勢,對于新型特種雙芯光纖的設(shè)計和改進(jìn)具有一定的參考意義。

對載氫摻鍺石英光纖的紫外光敏特性以及載氫條件對光纖紫外光敏性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)地實驗研究．實驗結(jié)果表明:①載氫光纖的光致折射率改變隨紫外曝光時間的變化規(guī)律(△n=3．3×10-4t0.31689)是先呈指數(shù)增長到達(dá)一定的時間基本達(dá)到飽和,如果繼續(xù)照射,光致折射率改變繼續(xù)增大,并對紫外光敏機理進(jìn)行了討論;②隨著載氫壓力的增大,光纖的紫外光敏性呈正比例增大,兩者之間的關(guān)系為△n=1．34×10-5+4．66×10-5p;③摻鍺石英光纖的紫外光敏性的大小隨著載氫時間的延長,呈指數(shù)增長,最后達(dá)到飽和．

采用matlab和comsol建立單模光纖內(nèi)激光傳輸模型,對雙包層內(nèi)光纖折射率和纖芯結(jié)構(gòu)對光能量分布的影響進(jìn)行了理論研究。系統(tǒng)分析了光纖芯徑與數(shù)值孔徑、歸一化頻率和功率填充因子的關(guān)系,依據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)一步采用多模物理耦合仿真方法對不同類型的單模雙包層光纖纖芯的能量分布進(jìn)行仿真,探索了不同折射率分布情況對纖芯能量分布的影響。計算和仿真結(jié)果表明:凹面折射率分布光纖的光斑模場面積最大,單位面積的功率分布最低。針對大功率光纖激光器的應(yīng)用需求設(shè)計了工作波長為1.064μm、纖芯直徑為10μm、凹面直徑為8μm、數(shù)值孔徑為0.12的單模凹面折射率雙包層光纖,為提高光纖泵浦效率、降低纖芯的能量密度提供了思路。

一種基于光纖mach森德干涉的新型磁場傳感器（mzi）的涂磁流體（mf）提出。mzi組成標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（smf）兩個球形結(jié)構(gòu)。的干涉波長和功率的傳感結(jié)構(gòu)是敏感的外部的折射率（國際扶輪）。由于ri的mf對磁場敏感，磁場的測量可以通過檢測干涉譜的變化來實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，隨著磁場強度的增加，干涉傾角的波長和功率都隨著磁場強度的增加而增大。

分析了全光纖電流互感器(afoct)光纖元件的雙折射來源和影響,針對其應(yīng)力加載特征,提出一種適用于系統(tǒng)的光纖雙折射參數(shù)測量方法。測量基于研究雙折射對偏振態(tài)的調(diào)制情況,在邦加球上分析傳輸光偏振態(tài)隨不同光程的演化軌跡,可獲得待測光纖橢圓雙折射參數(shù),相對誤差在2.85%以內(nèi)。驗證實驗說明基于測量結(jié)果的變比估計相對偏差1.08%。該方法準(zhǔn)確度優(yōu)于傳統(tǒng)方法,裝置結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。由傳感光纖雙折射測量結(jié)果可推導(dǎo)afoct系統(tǒng)的變比,也可作為溫度、振動補償實驗的依據(jù)。本方法可作為設(shè)計制作afoct系統(tǒng)過程中的一個有力的參考。

利用光在多模光纖中傳播時,輸出光強對光纖的彎曲形變敏感的特性,制作一種新型的多模光纖應(yīng)變傳感器。分別在多模光纖的兩端焊接單模光纖以減少外界干擾對傳感系統(tǒng)的影響,并把多模光纖粘貼在一個弓形不銹鋼片上調(diào)節(jié)傳感器的響應(yīng)靈敏度。試驗測得裝置的最大非線性度為2.9%,靈敏度為8.899μw/με(正向)。表明這種傳感器具有良好的應(yīng)變響應(yīng)特性。

介紹了一種采用模式耦合原理的強度調(diào)制型擾動定位傳感器,傳感光纖為多模光纖。光在傳感光路中沿相反的方向傳播,分別由兩個探測器接收,通過計算擾動信號到達(dá)兩個探測器的時間差,可以得到擾動的位置。本文分析了其傳感原理、定位原理及影響定位精度的因素,通過采用寬譜光源、數(shù)字濾波等方法使定位精度提高到約±100m。所述方案定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、傳感距離長,適用于長距離管道監(jiān)測、安全防衛(wèi)等各種擾動傳感領(lǐng)域。