红外与激光工程
2023, 52(3): 20220505
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
为了实现高平坦的自发辐射输出, 提出并设计了一种基于974nm泵浦源和高掺杂浓度掺铒光纤的平坦宽带光源。系统以泵浦波长974nm的激光二极管作为泵浦源, 先将泵浦光分为两路对掺铒光纤分级泵浦, 再将铒离子产生的自发辐射光合并输出, 并调节铒纤长度和泵浦功率对输出光谱进行优化。仿真结果表明: 泵浦功率为160mW, 两段掺铒光纤长度分别为7m和2m时, 可以在1530～1610nm得到带宽为80nm, 功率为20.348mW, 平坦度为±1.268dB的光谱输出。该系统在不额外增加滤波器且光纤总长小于10m的前提下, 实现平坦宽带输出, 有望在光纤传感系统中得到应用。
光谱学 平坦度 宽带光源 掺铒光纤 spectroscopy flatness broadband sourse Er-doped fiber
1 北京信息科技大学 a.光电测试技术及仪器教育部重点实验室
2 b.光纤传感与系统北京实验室, 北京 100192
针对纤芯包层复合结构光纤布拉格光栅(FBG)制备难度较大的问题, 文章首先分析了复合结构FBG的结构特征, 然后从光纤耦合模理论出发, 利用Rsoft结合Matlab软件分别模拟了单独存在的纤芯、包层光栅以及复合结构光栅的反射光谱, 并且通过改变光栅周期、栅区长度以及调制深度, 对复合结构FBG的反射光谱特性进行了仿真分析。仿真结果表明, 光栅周期为541 nm并固定其他参数时, 单独的纤芯与包层光栅中心反射波长分别为1 563.4和1 558.0 nm, 复合结构光栅获得了具有相同中心波长的双峰反射光谱; 复合结构光栅的光栅周期、光栅长度和调制深度会对反射谱的中心波长、强度与半高宽度造成规律性的影响。研究结果可以给光栅刻写与应用提供参考与理论支撑。关键词:
纤芯包层复合结构光栅 光纤布拉格光栅 反射光谱 耦合模理论 仿真研究 core-and-cladding integrated grating FBG reflectance spectrum coupled-mode theory simulation study
北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室、光纤传感与系统北京实验室，北京 100192
针对传统位移传感器测量精度低、量程小和稳定性不足的问题，文章提出并实现了一种基于变栅距光栅的位移传感器，进行位移特性测试并重点分析了测量过程中的误差问题。实验中将变栅距光栅置于电动位移平台上，通过调节平台位移控制光斑入射位置，建立光栅位移与反射光谱一级衍射中心波长之间的相关关系，实现波长对位移的编码。平台移动范围为0~20 mm，步长为2 mm，往返重复测量6次，记录各位移点处的中心波长，标定传感器的位移特性。针对各位移点重复测量产生的中心波长数据进行误差分析，采用贝塞尔公式结合别捷尔斯法分析各点多次测量数据的标准差，并结合莱以特（3σ）准则进一步判定数据的可靠性。实验结果表明，该传感系统无系统误差和粗大误差；波长与位移呈线性变化，多次重复线性度优于0.994 6，传感器全量程平均位移灵敏度为16.67 nm/mm，为基于变栅距光栅位移传感系统的研究提供了一定的参考。
变栅距光栅 波长 灵敏度 线性度 波长偏差 varied line-space grating wavelength sensitivity linearity wavelength deviation
1 北京信息科技大学 1. 仪器科学与光电工程学院
2 2. 光纤传感与系统实验室， 北京 100016
针对太空环境下在轨卫星内部次镜座结构的特殊性，为监测其温度状态，设计了一种金属基底的光纤光栅温度传感器来贴合次镜座使用。通过变换固定点距离，结合光纤温度传感原理以及弯曲栅区的应变状态，设计了结构小、质量轻且可同时多位置测量温度的基底结构。实验测试结果表明，该结构温度传感器中三个波段的线性度均达到了0.999，灵敏度分别为10.78，10.81和10.36pm/℃，同一温度下的中心波长波动在±3pm内，受外界应力影响较小，有良好的重复性。
光纤光栅 温度传感器 次镜座 卫星监测 FBG temperature sensor secondary mirror base satellite monitoring
1 北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
微创手术软体操作臂是微创外科和机器人领域的科学前沿和研究热点，对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体操作臂的状态测量问题，以直线型布设在软体操作臂中的光纤传感器，在柔性操作臂伸展和弯曲等运动时存在易断裂和可重复性差等问题，未能实现手术操作臂的闭环控制，限制了其手术应用。为此，提出了一种基于螺旋型光纤传感的软体操作臂状态测量方法，并对其传感特性进行了研究。不同于直线布设光纤的传感方法，螺旋型布设光纤的传感方法可以实现可伸缩软体操作臂的测量，防止光纤在软体操作臂中的错位，满足可伸缩弯曲软体操作臂的测量需求。通过理论分析气动驱动软体操作臂伸缩和弯曲的运动特性，利用光纤上刻写的布拉格光栅传感点，建立软体操作臂中螺旋型光纤光栅的传感模型，推导出光纤光栅中心波长漂移量和软体操作臂弯曲曲率之间的关系。最后，为了验证螺旋型光纤光栅在软体操作臂中的传感性能，对其传感灵敏度和稳定性等进行了实验测试。实验结果表明：提出的螺旋型光纤传感方法可实现操作臂伸长10%、弯曲角度达到180°时的状态测量，且操作臂理论弯曲角度和光纤传感的误差最大为9%，传感灵敏度可达12.55 pm/(°)，满足软体操作臂伸缩和各向弯曲操作时的测量需求。
光纤传感 可伸缩螺旋型 软体操作臂 状态测量 optical fiber sensing stretchable helical structure soft manipulator state measurement 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200276
1 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
2 北京信息科技大学 北京市光电测试技术重点实验室, 北京 100192
为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题, 提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型, 理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置, 实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征, 得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系, 计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值, 重构出软体气动驱动器的变形形状, 验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明：将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层, 利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感, 3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1 %。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。
光纤传感 形状传感 光纤布拉格光栅 曲率测量 气动驱动器 聚酰亚胺薄膜 optical sensing shape sensing fiber Bragg grating curvature measurement pneumatic driver polyimide film
北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心, 北京 100192
针对变体飞行器变形机翼气动外形监测需求, 提出一种植入式柔性复合蒙皮形状光纤传感方法。通过将光纤光栅传感器植入硅胶薄层, 并与聚氯乙烯薄片组成复合蒙皮。建立柔性蒙皮形状传感系统, 采用光纤传感解调系统, 实验测得不同翼型下柔性蒙皮中光纤光栅反射谱特征及其变化规律; 计算出柔性蒙皮弯曲曲率, 并重建出柔性蒙皮变形三维形状; 采用数字摄影测量系统完成对比测试。研究结果表明: 柔性复合蒙皮变形光纤传感测量与数字摄影测试误差小于4.62%, 光纤传感灵敏度达到245.5 pm/m-1。验证了植入式光纤传感方法的有效性, 为变体飞行器变形机翼气动外形监测提供了参考。
柔性蒙皮 复合基体 FBG传感 变形重构 flexible skin composite matrix FBG sensing morphing reconstruction 红外与激光工程
2019, 48(6): 0622003
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100016
为了实现生物医疗领域软体手术机器人等柔性机构的曲率测量, 本文提出并设计了基于PVC(Polyvinyl Chloride, 聚氯乙烯)和硅胶复合基底的光纤布拉格光栅柔性曲率传感器。将光纤光栅植入到硅胶片中, 并将硅胶片粘贴在PVC基底的表面, 形成基于PVC和硅胶复合基底的曲率传感器。使用标准曲率校准块对传感器进行了校准实验, 测试不同曲率下传感器的反射光谱、波长漂移量等参数。为了证明PVC基底对植入在硅胶中FBG传感器的性能影响, 对基于PVC和硅胶复合基底和基于硅胶基底的传感器进行了灵敏度和重复性的实验测试。实验结果表明: PVC基底可以提高植入硅胶中FBG曲率传感器的灵敏度和重复性, 且基于PVC-硅胶复合基底的传感器灵敏度最高可达245.5 pm/m-1, 偏差指数不足3%。该传感器在生物医学等软体机器人和柔性机构的曲率测量中具有广阔的应用前景。
光纤传感 曲率传感器 光纤布拉格光栅 灵敏度 重复性 一致性 fiber sensing curvature sensor Fiber Brag Grating(FBG) sensitivity repeatability consistency
1 北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心, 北京 100016
2 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
3 现代测控技术教育部重点实验室, 北京 100192
4 北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室, 北京 100192)
提出并验证了一种单-双波长可调谐掺铒光纤激光器。利用级联光纤布拉格光栅（Cascaded Fiber Bragg gratings, Cascaded FBGs)结合Sagnac环结构所产生的复合滤波效应, 实现较高精细度滤波, 并通过调节环内偏振控制器（Polarization Controller,PC), 引入双折射效应, 得到波长可调谐的光纤激光器。基于耦合模理论并使用传输矩阵法对该结构的传输特性进行了分析, 在此基础上搭建实验系统, 验证了理论分析的正确性。实验结果表明: 通过调节PC, 激光器输出激光的波长范围约为1 555.644~1 556.112 nm, 双波长间隔的可调范围约为0.108~0.452 nm, 单-双波长的边模抑制比（SMSR)均高于40 dB; 在稳定性测试中, 输出单-双波长激光的波长最大漂移量小于0.008 nm。该方法具有结构简单、调谐方便、易于实现且精细度较高的优点, 可应用于密集波分复用及全光通信系统等领域。
级联光栅 Sagnac环 双折射效应 波长可调谐 光纤激光器 cascaded FBGs Sagnac loop birefringence effect tunable wavelength erbium-doped fiber laser
