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基于长周期光纤光栅的温度及应变传感器制备及其实验研究

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基于长周期光纤光栅的温度及应变传感器制备及其实验研究

作者：李健哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

本论文是根据熔融拉锥的方法制备长周期光纤光栅(LPFG),并通过调整不同的拉锥参数制备不同结构LPFG,利用不同方法在LPFG锥区被覆金属及非金属等材料,利用LPFG与光纤锥及光栅包级联制备马赫-曾德尔干涉仪(MZI),然后对以上各种结构制备出... 详细信息

本论文是根据熔融拉锥的方法制备长周期光纤光栅(LPFG),并通过调整不同的拉锥参数制备不同结构LPFG,利用不同方法在LPFG锥区被覆金属及非金属等材料,利用LPFG与光纤锥及光栅包级联制备马赫-曾德尔干涉仪(MZI),然后对以上各种结构制备出的LPFG传感器进行温度与应力等参数的测量。首先,利用熔融拉锥的方式制备出LPFG,通过调整拉锥参数,制备出非等周期LPFG,并对其温度及应变传感特性进行了测量,其应变灵敏度高达-9.8 pm/με,为普通二氧化碳型LPFG的75.4倍。同时,本文通过增加拉锥次数的方法制备出了过耦合型LPFG,该LPFG具有两个损耗峰,中心波长分别位于1534.2 nm和1546.7 nm,两干涉峰具有不同的温度灵敏度和应变灵敏度,可用于温度和应变同时测量。其次,利用熔融拉锥的方式制备出的长周期光纤光栅,在长周期光纤光栅的栅区部分采用镀膜的方法镀上一层金属膜,分别研究了镀金属膜厚度50 nm、100 nm、200 nm对LPFG温度灵敏度的影响,实验证明LPFG的温度灵敏度随着膜厚的增加先减小再增加再减小。本节中也研究了在LPFG的栅区涂覆有机硅材料对其温度灵敏度的影响,通过实验验证,在长周期光纤光栅表面涂覆有机硅可有效提高其温度灵敏度,本实验中LPFG温度灵敏度由7 pm/°C提高到191 pm/°C,提高了27.3倍。最后,利用实验室采用熔融拉锥方式制备出的长周期光纤光栅分别与光纤锥及光栅包进行级联构造出马赫-曾德尔干涉仪,并利用其进行传感。在LPFG与光纤锥级联过程中,级联前长周期光纤光栅只有一个干涉峰,级联后出现多个干涉峰,我们选取其中两个干涉峰进行温度及应力传感,通过实验证明该马赫-曾德尔干涉仪可用于温度和应变同时测量,其温度灵敏度为83 pm/°C、应变灵敏度为-2.6 pm/με。同时,我们将制备好的长周期光纤光栅与光纤包级联,光纤包由光纤焊接机制备而成,对于该方法构造出的马赫-曾德尔干涉仪我们也进行了温度及应变灵敏度的测量,均取得了良好的实验结果。

关键词：电加热法熔融拉锥长周期光纤光栅温度传感器应变传感器同时测量镀膜马赫-曾德尔干涉仪

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塑料光纤接入网及其光耦合技术研究

塑料光纤接入网及其光耦合技术研究

作者：曾永西华侨大学

学位级别：硕士

由于塑料光纤(POF)在短距离通信中所显示出来的可挠性好、对接容易、成本低等优势及其在传感领域较石英光纤(SOF)有灵敏度高、动态测量范围大等优点,塑料光纤越来越受到人们的重视,具有相当可观的潜在市场和应用前景。塑料光纤本身的特... 详细信息

由于塑料光纤(POF)在短距离通信中所显示出来的可挠性好、对接容易、成本低等优势及其在传感领域较石英光纤(SOF)有灵敏度高、动态测量范围大等优点,塑料光纤越来越受到人们的重视,具有相当可观的潜在市场和应用前景。塑料光纤本身的特点使得其作为短距离通信用传输媒质在近些年内已展示出巨大的优势,于是塑料光纤接入网是未来光接入网一个重要的发展方向。本论文第二章首先对主要的接入网媒质铜线、石英光纤和塑料光纤进行比较,指出塑料光纤在短距离通信方面的优势,接着介绍了塑料光纤在通信方面的发展历程,最后提出了一种楼宇塑料光纤接入网的计划方案。在塑料光纤广泛应用之前必然运用到各种塑料光纤耦合器,目前熔融拉锥法是制备塑料光纤耦合器的重要方法,然而此种方法存在纤芯模与包层模的转换效率比较低的问题,解决这问题的一种方法是对塑料光纤进行热预拉锥。本论文第三章对塑料光纤热预拉锥的实验进行了介绍。通过反复实验,本论文提出较好的塑料光纤热预拉锥相关工艺参数,并对拉锥后的塑料光纤进行相关的测试分析。塑料矩形光栅可以在波分复用(WDM)系统中作为复用/解复用器,制作塑料矩形光栅最简单可行的方法是采用模压技术。本论文第四章对熔融石英光栅模板模压复制塑料矩形光栅的实验进行了介绍。通过测试发现,采用这种方法可以复制出表面质量良好、性能优良的塑料矩形光栅。

关键词：塑料光纤塑料光纤接入网锥形耦合器熔融拉锥模压技术

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影响波分复用器信道间隔的制作条件研究

现代电子技术 2015年第23期38卷 157-159页

作者：吕春晓山西农业大学信息科学与工程学院山西太谷030801

近年来随着光纤的问世,光网络也慢慢被广泛的应用,这使得波分复用技术的应用及其制作工艺显得尤为重要。目前熔锥型波分复用器的制作工艺已被广泛应用于生产中,但由于对其制作条件研究比较单一,造成生产上成品率不高。在此通过用熔融拉... 详细信息

近年来随着光纤的问世,光网络也慢慢被广泛的应用,这使得波分复用技术的应用及其制作工艺显得尤为重要。目前熔锥型波分复用器的制作工艺已被广泛应用于生产中,但由于对其制作条件研究比较单一,造成生产上成品率不高。在此通过用熔融拉锥法制作1×2波分复用器时,分别在不改变其他参数的情况下采用不同制作周期,不同氢气流量和不同拉锥速度,并发现这些制作条件会对波分复用器信道间隔造成一定影响,同时利用的热力学中的有效加热时间和激活能对出现的现象及结果进行了解释。

关键词：熔融拉锥波分复用器信道间隔有效加热时间激活能

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竹节状长周期光纤光栅的制备与传感特性研究

竹节状长周期光纤光栅的制备与传感特性研究

作者：李元鹏暨南大学

学位级别：硕士

长周期光纤光栅(Long-period Gratings:LPFG)以其较小的插入损耗、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单等可用于增益平坦器、带阻滤波器。随着光子器件领域的高速发展,尤其随着微纳光纤器件的发展,需要更加小... 详细信息

长周期光纤光栅(Long-period Gratings:LPFG)以其较小的插入损耗、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单等可用于增益平坦器、带阻滤波器。随着光子器件领域的高速发展,尤其随着微纳光纤器件的发展,需要更加小巧、灵敏度更高、损耗更低的器件来满足在各种复杂环境下的稳定和有效工作。传统长周期光纤光栅制备方法包括紫外光刻写、飞秒激光/二氧化碳激光刻制、切纤熔接等,这些方法在常规尺寸长周期光纤光栅制作中表现出了良好的优势,然而在尺寸变小的光纤中,容易造成光栅制作困难或稳定性不好等问题。本文提出了一种竹节状长周期光纤光栅(Bamboo-like long period fiber grating:BLPFG)的制备方法,即使用飞秒激光在去除涂覆层的单模光纤上加工出周期性锯齿状结构的光纤光栅预制结构后,再使用拉锥系统一次性拉制而成,然后研究了该种光栅的传感特性。具体研究内容和成果如下:1.提出采用一步拉锥法制备长周期光纤光栅,首先利用800 nm红外飞秒激光器,将其高频率、连续性的输出光经高倍显微镜聚焦后,形成高能量,高精度的光斑,聚焦在去除涂覆层的单模光纤上,精确地在目标区域周期性地刻写单槽,槽宽和深均为5?m,周期为10?m,该方法能够对光纤计划内的加工区域精确加工,对计划外的结构未产生破坏,且未对光纤的传输光谱产生影响,对接下来的加工步骤提供优势和保障。其次,我们利用氢氧焰熔融拉锥平台对先前用飞秒激光刻写的光纤光栅预制结构进行定点拉锥,将预制结构区拉锥至直径为～15?m,周期为～500?m的长周期光纤光栅。我们研究了光纤光栅预制结构在拉锥过程的结构演变趋势,以及器件制作过程中的光谱生长曲线等。2.研究了竹节状长周期光纤光栅的传感特性,测得的折射率灵敏度为～/44.872RIUnm,温度灵敏度为～/8.5 pm℃,由于该器件采用了同一种材料制作而成,因此结构稳定、坚固,且设计灵活,在传感领域具有良好的应用前景。

关键词：长周期光纤光栅结构型光纤光栅飞秒激光加工熔融拉锥折射率传感

基于STM32的大芯径石英棒材拉锥装置的研制

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基于STM32的大芯径石英棒材拉锥装置的研制

作者：付洋哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

天文光子学是天文学与光子学相结合的学科,对天文学的发展有着非常重要的意义。光纤器件作为多目标观测系统的接收、传输的重要器件,其性能对多目标观测系统的实现具有决定性意义。与单模光纤器件相比,大芯径多模光纤器件可以同时接收... 详细信息

天文光子学是天文学与光子学相结合的学科,对天文学的发展有着非常重要的意义。光纤器件作为多目标观测系统的接收、传输的重要器件,其性能对多目标观测系统的实现具有决定性意义。与单模光纤器件相比,大芯径多模光纤器件可以同时接收更多的光信号,因此在天文上的应用更为广泛。目前制作光纤器件主要使用熔融拉锥的方法,而传统的光纤拉锥装置只能制作芯径较小的光纤器件,对于大芯径光纤器件的拉锥效果较不理想。为此,本文根据移动拉锥基本理论、模式耦合基本理论,研制了基于STM32的大芯径石英棒材拉锥装置。本文所研制的大芯径石英棒材拉锥装置由火焰燃烧系统、机电控制系统和上位机系统三部分组成。在优先考虑安全问题的前提下进行了火焰燃烧系统的结构设计,同时为了解决传统点热源受热不均的问题,提出了一种新颖的面热源加热方式,能够更好地控制光纤器件的加热过程。在机电控制系统中,设计了带有旋转平台的精密机械结构,有效避免了因重力作用引起的形变。为了提高拉锥器件的精准度,本文采用了STM32系列微控制器作为机电控制系统的主控芯片,步进电机作为动力单元,精准控制运动系统的运动状态。在上位机系统中,采用了 LabVIEW平台进行上位机软件开发,具有较好的人机交互性,在人机界面上可以对拉伸速度、旋转速度、火焰平移速度及距离等参数进行调整,较好地控制制成的光纤器件锥形。为了测试系统的有效性,将320μm的大芯径天文光纤嵌入内径500μm的外圆内方的玻璃预制棒内,进行了器件拉锥,并对拉锥后的光纤器件进行性能测试。测试结果表明,该拉锥装置可以较为精准地进行大芯径石英棒材的拉锥工作,并可以按照预定目标较好地控制光纤器件锥形。

关键词：天文光子学熔融拉锥光纤器件大芯径石英棒材 STM32微控制器

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拉锥光纤的特性和应用研究

拉锥光纤的特性和应用研究

作者：奚小明国防科学技术大学

学位级别：硕士

光纤拉锥是一种重要的光纤后处理技术,通过拉锥可以改变光纤的形状、光学性能以及制作各种光纤器件,对拓展光纤的应用具有重要作用。光子晶体光纤是一种的新型光纤,结构设计的灵活性使它拥有许多普通光纤无法比拟的优良特性。将光纤拉... 详细信息

光纤拉锥是一种重要的光纤后处理技术,通过拉锥可以改变光纤的形状、光学性能以及制作各种光纤器件,对拓展光纤的应用具有重要作用。光子晶体光纤是一种的新型光纤,结构设计的灵活性使它拥有许多普通光纤无法比拟的优良特性。将光纤拉锥技术应用于光子晶体光纤,不仅为光子晶体光纤的应用提供了更为广泛的平台,同时也丰富了光纤拉锥的理论和内容。本文从理论和实验两个方面对普通光纤和光子晶体光纤的拉锥和空气孔塌缩技术进行了研究,探索了拉锥光纤在产生超连续谱和低损耗熔接方面的应用。 1理论分析了普通光纤拉锥的过程和结构特点,数值模拟了拉锥过程中光纤模场以及色散曲线的变化。同时从拉锥环境、参数控制以及拉锥光纤形状等角度分析了低损耗拉锥的条件,为得到低损耗的拉锥光纤提供了理论依据。实验上利用熔融拉锥机得到了不同直径的低损耗拉锥光纤。对外径只有微纳米量级的微纳光纤也进行了相应的模拟和分析。 2理论和实验上探索了普通拉锥光纤在产生超连续谱方面的应用,通过改变飞秒泵浦激光的波长和拉锥光纤的外径,研究了泵浦波长以及光纤外径与产生超连续谱的关系。 3理论分析了光子晶体光纤的拉锥和空气孔塌缩技术。实验上,通过熔融拉锥机对光子晶体光纤进行加热拉锥,在保持空气填充比不变的情况下,利用“快速低温”法实现了光子晶体光纤的拉锥;在保持外径几乎不变的情况下,利用“低速高温”法实现了空气孔的塌缩。 4利用拉锥技术在拉锥光子晶体光纤中产生了超连续谱。通过拉锥控制光子晶体光纤的色散曲线,使四波混频产生的双波长激光共同在反常色散区泵浦拉锥光子晶体光纤,提高了泵浦的效率,并在总长为1m的光子晶体光纤内产生了光谱范围大于600700nm的超连续谱输出。 5利用空气孔塌缩技术增大光子晶体光纤的模场直径,消除模场失配,实现了小芯径光子晶体光纤的低损耗熔接。通过熔接机重复放电和拉锥机加热塌缩两种方法分别实现了模场失配较小和模场失配较大的光子晶体光纤与普通光纤间的低损耗熔接,使光子晶体光纤更好的与现有光纤系统兼容,为光子晶体光纤的应用和系统化做铺垫。

关键词：熔融拉锥普通光纤光子晶体光纤超连续谱低损耗熔接

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基于光纤过耦合结构的萨格奈克干涉传感特性

基于光纤过耦合结构的萨格奈克干涉传感特性

作者：江升旭黑龙江大学

学位级别：硕士

本文从耦合模原理出发,以熔融拉锥技术为主要制备方法,系统开展了光纤过耦合结构的干涉仪研究。同时探究了萨格奈克干涉仪的传感特性,开发了基于光纤过耦合结构的萨格奈克干涉仪。主要研究内容如下:基于耦合模原理,研究了光纤耦合结构... 详细信息

本文从耦合模原理出发,以熔融拉锥技术为主要制备方法,系统开展了光纤过耦合结构的干涉仪研究。同时探究了萨格奈克干涉仪的传感特性,开发了基于光纤过耦合结构的萨格奈克干涉仪。主要研究内容如下:基于耦合模原理,研究了光纤耦合结构以及光在耦合结构中的传输原理,分析过耦合结构的干涉原理。采用光束传播法,对不同耦合程度的干涉仪结构进行仿真研究,探究拉锥参数对耦合效果的影响。采用熔融拉锥的制备方法,开展了过耦合结构的制备。对火头高度、拉锥速度、氢流量以及火头摆幅摆速的实验测试,详细分析了过耦合结构制备参量对输出光谱的影响。通过参数的控制使得透射光谱达到利于传感测试的目的。对光纤过耦合结构干涉仪开展传感特性研究,实验结果表明光纤过耦合结构具有良好的应变灵敏度,在0-750με范围内,灵敏度可达到15.4 pm/με,并且线性度良好。折射率灵敏度达到2094.2 nm/RIU,温度灵敏度为111.0 pm/°C。分别进行了应变与折射率以及应变与温度的双参量同步测量。构建了基于光纤过耦合结构的萨格奈克干涉仪。研究发现,萨格奈克环内光纤长度以及光谱波段对应变灵敏度存在影响。实验表明,随着应变的增加,不同波段间灵敏度的差异越为明显。且随着环内光纤长度的增加,灵敏度有减小的趋势。实验测得600-750με范围内且萨格奈克环内光纤长度为50 cm时达到最大应变灵敏度,C波段应变灵敏度为23.2pm/με,L波段灵敏度为31.2pm/με。

关键词：光纤传感耦合模熔融拉锥萨格奈克应变传感

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复合长周期光纤光栅的制备及其实验研究

复合长周期光纤光栅的制备及其实验研究

作者：曾弘毅哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

本论文是根据两种对长周期光纤光栅的制备方法,分别进行电加热法长周期光纤光栅的制备和CO激光器打标法长周期光纤光栅的制备,然后再进行复合长周期光纤光栅的制备与一系列的温度,拉力和弯曲实验测试。首先,利用电加热熔融拉锥的方法进... 详细信息

本论文是根据两种对长周期光纤光栅的制备方法,分别进行电加热法长周期光纤光栅的制备和CO激光器打标法长周期光纤光栅的制备,然后再进行复合长周期光纤光栅的制备与一系列的温度,拉力和弯曲实验测试。首先,利用电加热熔融拉锥的方法进行了长周期光纤光栅的制备,得到了四个损耗峰分别在1210 nm,1308 nm, 1412 nm和1545 nm的长周期光纤光栅,对其进行了温度和拉力测试。然后利用CO激光器打标的方法进行了长周期光纤光栅的制备,得到了具备1280 nm波长的单一损耗峰的长周期光纤光栅,对其进行了温度和拉力测试。其次,利用制备好的熔融拉锥长周期光纤光栅和CO激光器打标长周期光纤光栅进行串联型复合栅的制备,对其进行了温度和拉力测试,拉力测试过程中发现CO激光器打标法制备的长周期光纤光栅在串联复合前有1.7 pm/με的拉力灵敏度,而在串联复合后对拉力不敏感即0 pm/με拉力灵敏度,而两光栅对温度的响应却在串联复合前后没有变化,因此得出了该串联复合栅对温度和拉力同时测量的可能性并完成了温度,拉力同时测量实验,得出了可靠的结论。再次,提出了在电加热熔融拉锥长周期光纤光栅上写制CO激光器打标长周期光纤光栅的方法,并完成了前期部分实验研究。最后,利用悬挂中空双芯光纤制备了全光纤M-Z干涉仪,发现了几个具备研究意义的研究课题,测试了全光纤M-Z干涉仪的温度和弯曲特性,制备了超高温度灵敏度的M-Z干涉仪,分析讨论了实验结果并提出了与长周期光纤光栅进行复合的方法。

关键词：电加热熔融拉锥 CO2激光器打标复合长周期光纤光栅温度应变同时测量 M-Z干涉仪

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大热区光纤拉锥装置理论分析与实验研究

大热区光纤拉锥装置理论分析与实验研究

作者：袁明哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

锥形光纤器件由于其特殊的形状与性能,现今在很多领域中被大量研究与应用,如锥形光纤传感器、熔融拉锥光纤耦合器、波分复用器、滤波器、光开关、光调制器、微球激光器、超连续光源和光纤连接器等领域。其中基于熔融拉锥技术的熔锥光纤... 详细信息

锥形光纤器件由于其特殊的形状与性能,现今在很多领域中被大量研究与应用,如锥形光纤传感器、熔融拉锥光纤耦合器、波分复用器、滤波器、光开关、光调制器、微球激光器、超连续光源和光纤连接器等领域。其中基于熔融拉锥技术的熔锥光纤耦合器和波分复用器已经大规模投入使用,并广泛应用于各种通信网络。随着锥形光纤器件的大规模应用及其精度需求的增加,锥形光纤的制作方法也由早期的固定火焰拉锥技术发展为精度更高、成形范围更大的移动火焰拉锥技术。同时,针对其成形结果与拉锥参数之间的算法理论也相继出现,无论是早期的对固定火焰成形结果的计算,还是后来的移动点火焰拉锥理论,对拉锥技术的出现和发展都起到了非常重要的指导作用。但是现有的算法都是在加热火焰的径向宽度较小时所应用,这时的加热火焰被认为是点火焰,而当加热火焰的径向宽度较大时,现有的理论就无法精确的计算其成形结果。本文在Birks提出的移动点火焰拉锥技术分析理论的基础上,针对大热拉锥技术的特殊性,利用离散递推方法,进行了移动大热区拉锥技术的理论分析与计算。为了配合理论分析,本文使用LabVIEW编制上位机软件,用单片机控制芯片,配合电控位移台和可开合式加热系统,制作了移动大热区拉锥装置。然后利用MATLAB编制了移动大热区拉锥技术锥形曲线的计算程序,通过计算拉伸速度、加热火焰的宽度、移动速度、移动距离与往返次数等拉锥参数,得到拉锥后的锥形曲线,其实验数据与理论结果非常吻合。同时计算了不同拉锥参数下拉制的锥形曲线,定性分析后得到了各个拉锥参数与拉锥结果的关系,利用这种关系可以实现大热区拉锥技术的反向推导,即给出锥形曲线的主要参数,计算其拉锥参数。

关键词：光纤锥形光纤熔融拉锥大热区拉锥