1 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，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
针对调制光栅Y分支（Modulated Grating Y-branch，MG-Y）激光器难以实现特定波长稳定准连续调谐问题，提出一种基于K近邻模型的MG-Y激光器波长查找表构建方法。该方法基于K近邻模型，快速分类得到左、右光栅准连续调谐区域，依据MG-Y激光器相位调谐特性，采用牛顿非均匀插值方法实现了MG-Y激光器波长精细调谐。实验结果表明，按照该表控制激光器的输出光波长准确度为2 pm，稳定性为0.7 pm，F-P标准具解调波长稳定性为1.73 pm，FBG解调波长稳定性为1.75 pm，FBG解调波长相关系数R大于0.952 5。该方法可控制MG-Y激光器实现稳定的波长准连续调谐，满足光纤传感解调应用需求。
MG-Y激光器 波长控制 K近邻 查找表 连续调谐 MG-Y laser Wavelength control K nearest neighbor Look up table Continuous tuning
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
3 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
研究了一种基于深度学习的光纤光栅混叠FBG光谱解调方法。利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)模型处理混叠光谱非线性序列模型问题，通过一维卷积神经网络预测识别混叠光谱中心波长，并搭建了并联结构的混叠光谱数据自动采集实验系统，验证了混叠光谱的中心波长高精度解调。实验分析了训练样本、迭代次数对训练时间、测试时间、解调精度的影响，并对训练完成后的模型进行了解调时间测试。分别与其他解调算法进行了解调精度和测试时间对比，同时对同一组光谱数据使用解调模型算法及最高点寻峰算法进行中心波长值的对比并进行误差分析。实验结果表明：解调模型均方根误差结果为0.082 58 pm，使用Intel(R) Core(TM) i7-8550U CPU （Central Processing Unit）的解调计算时间为0.338 s。研究结果表明：采用卷积神经网络模型对于混叠光谱中心波长解调结果的准确性具有合理性，与其他算法相比，文中的解调算法在解调精度和时间上具有优势，模型大小在400 kB以下，所需算力较小，可部署在小型嵌入式设备中，在大规模机载传感网络，结构健康监测中有良好的应用前景。
光纤光栅 混叠光谱 光谱数据采集系统 卷积神经网络 fiber grating overlapped spectrum spectrum data acquisition system convolutional neural networks 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210419
红外与激光工程
2022, 51(5): 20200440
1 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，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
3 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
为提高光纤布拉格光栅(FBG)中心波长的刻写精度，提出了一种基于预写入标尺的FBG波长控制方法，并建立了预写入标尺波长与目标波长之间的关系。预写入标尺指的是在正式刻写指定波长(λB)的FBG前预先刻写的弱FBG。首先，使用单个低能脉冲照射受一定预紧力作用的光纤，使之形成一个微弱但可测得反射峰的弱FBG，其反射中心波长为λBr0；接着撤去预紧力，测得松弛后的弱FBG的反射中心波长为λBr1；然后根据FBG中心波长漂移与受力大小的变化关系计算得到λBr2，改变预紧力使FBG的反射波长变为λBr2；最后用高能量脉冲完成FBG的刻写，此时，松弛后的FBG的反射中心波长应为指定波长λB。用预写入标尺法刻写了6种不同波长的FBG，FBG中心波长的刻写值与理论值的一致性较好，FBG刻写波长的误差均值为0.007 nm，误差标准差为0.029 nm。此方法实施简单，稳定可靠，能有效提高FBG中心波长的刻写精度。
光栅 准分子激光 预写入标尺 波长控制
1 北京信息科技大学 1. 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
2 2. 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
3 北京信息科技大学 2. 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
针对电机内部实时测温的需求, 设计了一种嵌套结构的管式光纤光栅传感器。该传感器使用陶瓷基片作为内层结构, 以304不锈钢管作为保护外层, 采用飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅作为测温敏感元件。搭建了恒温油浴光纤传感测试系统, 采用循环升降温的方法对其进行了温度特性研究, 结果表明该传感器测温性能良好, 升降温实验的线性相关系数均为0.9999, 在长期的循环实验中波长重复性为±2pm, 迟滞误差小于5pm, 有较高的可靠性, 可用于电机内部的温度监测。
光纤光栅 嵌套结构 线性相关 重复性 迟滞误差 FBG nested structure linear dependence repeatability hysteresis error
1 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, 北京 100016
2 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室, 北京 100192
为实现高精度温度传感,设计了一种基于游标效应和铝合金基底增敏的复合结构的光纤温度传感器。该传感器由空芯光纤和单模光纤形成的级联法布里-珀罗干涉仪(FPI)、与级联FPI串联的光纤布拉格光栅(FBG)和铝合金基底构成。利用三光束干涉理论、光束传播法、有限元分析,阐述了其反射光谱、传输光场、热力学等特性。通过控制空芯光纤和单模光纤的几何长度,可灵活地调整游标效应增敏倍数和温度测量分辨率。该复合结构的设计不仅可以测量温度的微小变化量,还可以测量温度的绝对值。实验结果表明,基于游标效应的级联FPI和FBG的温度灵敏度分别为138.4 pm/℃和37.4 pm/℃,传感器的温度重复性和快速响应性良好,可以广泛应用于高精度测量领域。
光纤光学 游标效应 级联法布里-珀罗 光纤布拉格光栅 温度传感器 光学学报
2021, 41(15): 1506002
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
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 光电测试技术北京市重点实验室, 北京 100101
结合无源光学器件, 提出并设计了一种新型的高冗余光纤布拉格光栅(FBG)传感模块, 并将设计的FBG传感模块与波分复用技术相结合, 构建了高冗余FBG传感网络。以长方形铝合金板为研究对象, 对高冗余FBG传感网络的可靠性进行研究, 理论比较并实验分析了高冗余FBG传感阵列的适用性与可靠性。研究结果表明, 利用光开关在传感阵列支路之间的切换, 使得FBG传感网络更具有冗余性。这一方面能够解决使用过程中多个部位出现故障导致的某些FBG传感模块无法被计算机检测到的问题, 有效提高了传感系统的可靠性、容错性; 另一方面为工程应用中结构健康监测以及特殊部位监测提供了一种有效可行的监测手段。
光纤布拉格光栅 传感网络 高冗余 可靠性 结构健康监测 fiber Bragg grating sensor network high redundancy reliability structural health monitoring
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 光电测试技术北京市重点实验室, 北京 100101
3 生物医学检测技术及仪器北京实验室, 北京 100101
采用电极脉冲电弧放电激励紫外曝光刻写的光纤布拉格光栅（FBG），重点研究了电极在栅区不同位置放电对光纤光栅光谱特性的影响。实验发现，在电极放电激励时，光栅反射率下降，光谱展宽并红移，放电引起的光谱变化具有可逆性。采用传输矩阵方法，在理论上分析了光纤光栅在电极放电产生的非均匀温度场下的光谱特性，与实验结果吻合。特别地，当电极在栅区中心位置放电时，光栅反射率下降幅度达到最大，反射谱峰值比无电极放电时小12 dB，表现出开关量特性。
光栅 光纤布拉格光栅 非均匀温度场 电极放电 开关量传感器 局部放电检测
