1 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南昆明650500
2 云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室，云南昆明650500
针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题，本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律，分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明，光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低，其中模场直径为28 μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时，通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17 μm时最大有效对准时间为7.05 ms，与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。
离轴 光纤旋转连接器 双合透镜 热扩芯光纤 光纤耦合 off-axis fiber optic rotary joint double lens thermal expansion core fiber optical fiber coupling 光学 精密工程
2023, 31(10): 1443
红外与激光工程
2022, 51(6): 20210386
1 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 656500
2 云南省计算机应用重点实验室，云南 昆明 656500
针对光纤连接器核心部件之一光纤准直透镜信号精密耦合问题，采用双合透镜设计了一种单模大光束光纤连接器。通过分析双合透镜特性、光纤准直器阵列中的多光学器件耦合机理和准直透镜间的3种耦合偏差引起的传输损耗，推导出该耦合系统的传输损耗公式。基于MATLAB分析得到：角向失配对准直器的耦合损耗影响最大，轴向失配影响最小。利用光学仿真软件ZEMAX在序列和混合模式下对连接器进行模拟，用Origin绘制出不同失配情况下信号耦合效率曲线，结果表明单模光纤芯径为12 μm时，耦合效率达到92.42%。最后通过光学平台搭建实验系统，验证了仿真结果的准确性。
光纤光学 光纤旋转连接器 双合透镜 单模光纤 大光束准直透镜 ZEMAX 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2106008
昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000
为了进一步提高传感系统的灵敏度，在一片铌酸锂晶片上设计双平行非对称马赫-曾德尔干涉仪型光波导结构，并在光波导的周围设计分段电极，实现方向相反的电光调制，为此研制出尺寸为78 mm×14 mm ×7.5 mm的集成光波导电场传感器。采用LTspice仿真软件设计一种跨阻抗平衡光电探测电路，采用差分法实现对共模噪声的抑制，从而提高电场传感器的灵敏度。实验结果表明，传感系统时域可测电场强度范围为33~3000 V/m，线性动态范围为35 dB，适用于弱电场的时域测量。
集成光学 非对称马赫-曾德尔干涉仪 光波导传感器 平衡探测 电场测量 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1913001
昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500
针对基于超磁致伸缩材料的光纤布拉格光栅（GMM-FBG）电流传感器响应灵敏度低和温度补偿效果差的问题，提出并设计了一种双环杠杆式GMM-FBG电流传感器。首先，构建了该传感器的理论模型，并用COMSOL软件仿真了2个硅钢片之间的距离对2个FBG应变量差值的影响，得到了合理的磁路间距。然后，针对FBG的栅区长度，进行了参数优化。最后，考虑到磁路间距和FBG的栅区长度，仿真得到2个FBG应变量差值与被测电流之间的关系。结果表明，当磁路间距为16 mm，环境温度为20~70 ℃时，2个FBG上的温度变化趋势基本一致。当FBG的栅区长度为10 mm，输入电流为0~100 A时，传感器的灵敏度为45.4 pm/A；当FBG解调仪的分辨率为1.64 pm时，最小可测电流为0.036 A。
光纤光学 电流传感器 光纤布拉格光栅 磁致伸缩材料 温度 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1706004
昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500
利用两个相位调制器、两个环形器、一个电光调制器等可使光在上下两路高非线性光纤中发生受激布里渊散射，构成双对称受激布里渊散射效应的瞬时微波频率测量系统。利用系统输出光功率比与待测微波信号之间一一对应的关系，建立幅度比较函数，实现微波频率测量。理论分析结果表明，通过调节高非线性光纤的线中心增益系数差值和布里渊频移差值，可以改变微波频率的测量范围和测量误差；当线中心增益系数差值为30、布里渊频移差值为2 GHz时，频率测量范围为0~18 GHz，测量误差小于52 MHz；当线中心增益系数差值为30，布里渊频移差值为0.4 GHz，频率测量范围为0~21 GHz，测量误差小于148 MHz。
光纤光学 受激布里渊散射 幅度比较函数 瞬时频率测量 相位调制 强度调制 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0906001
昆明理工大学 信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650500
为了提高GMM-FBG电流传感器的电流响应灵敏度, 设计了一种新型杠杆式GMM-FBG光纤电流传感器。应用杠杆原理, 使布拉格光纤光栅受力增大, 从而提高GMM-FBG电流传感器的灵敏度。构建了传感器的理论模型, 对传感器性能进行了分析; 采用COMSOL有限元数值分析法, 建立了传感器三维模型, 针对传感器的关键参数进行仿真优化。仿真结果表明, 当设计传感器中GMM是半径为1mm, 高度为26mm的圆柱, 不锈钢条的尺寸为32mm×1.4mm×2mm时, 在0~100A输入电流范围内, 线性度为0.999, 灵敏度0.0406nm/A; 当FBG解调仪的分辨率为1.64pm时, 传感器最小可测的电流为0.04 A。
光学测量 杠杆原理 GMM-FBG电流传感器 有限元法 optical measurement leverage principle GMM-FBG current sensor finite element analysis
昆明理工大学 信息工程与自动化学院 自动化系, 昆明650500
利用集成光学技术设计并研制了一种时域测量电力系统中工频强电场的传感器, 体积为80 mm×18 mm×7.5 mm.采用调谐光源波长的方法补偿环境变化带来的工作点漂移, 形成π/2的静态工作点, 从而使传感器稳定地工作在线性区.理论分析了一种带有电极对的集成电光工频电场传感器.根据国标GB/T127201991建立了工频电场测试系统, 对传感器的时域动态范围进行了测试.结果表明：传感器时域可测电场范围为0.35~125 kV/m, 线性相关系数为0.997, 线性动态范围达51 dB, 适合用于工频强电场测量.
集成光学 电场测量 非对称马赫曾德干涉仪 屏蔽电极 工作点 光波导传感器 时域分析 Integrated optics Electric field Asymmetric MachZehnder interferometer Shield electrode Operating point Optical waveguide sensor Time domain analysis
昆明理工大学 信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650500
为了抵消自然双折射引起的Pockels电场传感器的工作点漂移, 设计了一种基于波长控制的铌酸锂晶体强电场传感器。设计的传感器系统包括: 可调谐激光器、Pockels传感器、微控制单元及光电探测器。采用微控制器控制可调谐激光器的输出波长, 使传感器具有π的固有相位偏置, 即使传感器工作在线性区。仿真结果表明: 当设计的传感器晶体长度大于0.45mm时, 在1530 ~1565nm范围内可以找到使传感器工作在线性区的工作波长。最后结合传感器最大可测电场与半波电场之间的关系Emax≈0.3Eπ, 得出传感器晶体长度为6.32mm, 光沿z方向传播, x方向加电场, 传感器最大可测电场为1000kV/m, 此时调谐传感器的工作波长为1546.1nm可以使传感器工作在线性区。
LiNbO3晶体 Pockels效应 电光调制 波长调谐 工作点控制 光学电场传感器 LiNbO3 crystal Pockels effect electro-optic modulation wavelength tuning operating point control optical electric field sensor
昆明理工大学 信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650500
设计一种融入3D打印技术, 实现在高电压、强电磁场环境下检测振动信号的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器。通过3D打印机制作而成, 由粘贴于简支梁的光纤Bragg光栅受质量块驱动而产生应变, 通过解调光栅波长变化量实现对振动信号的检测; 有限元分析振动传感器谐振频率为232.47Hz, 应变灵敏度为5.826με·g-1时, 加速度灵敏度为6.991pm·g-1, 表明了传感器理论上的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度良好。实验结果表明: 传感器谐振频率为240Hz, 加速度灵敏度为6.270pm·g-1, 线性度为3.3%, 表明了传感器实际的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度; 材料选用全绝缘的尼龙材料, 具有良好的绝缘性。
振动传感器 光纤Bragg光栅 多简支梁 全绝缘 vibration sensor fiber Bragg grating multi-simply supported beam fully insulated
