1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西 太原 030024
3 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
为了探索一种高灵敏折射率传感器，基于CO2激光技术制备出双峰谐振长周期光纤光栅（LPFG）。首先，利用CO2激光器在腐蚀包层后的传统单模光纤和80 μm弯曲不敏感光纤上制备出周期分别为196 μm和73 μm的双峰谐振LPFG，证明了采用CO2激光微加工技术在单模光纤上制备短周期LPFG的可能性。其次，利用CO2激光器直接在2种80 μm单模光纤上制备出周期分别为110 μm和115 μm的双峰谐振LPFG。实验结果表明：在2种80 μm单模光纤上制备的LPFG具有谐振损耗大，插入损耗小和折射率灵敏度高等优点。基于以上优点，采用CO2激光技术制备的双峰谐振LPFG在生物、化学及环境参数检测等重要领域的应用具有较大潜力。同时，也提供了一种操作简单、低成本制备双峰谐振LPFG的方法。
光纤光学 长周期光纤光栅 双峰谐振 CO2激光技术 折射率 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506009
1 深圳大学微纳光电子学研究院二维材料光电科技国际合作联合实验室，广东 深圳 518060
2 深圳技术大学工程物理学院，广东 深圳 518118
3 深圳大学物理与光电工程学院光纤传感技术粤港联合研究中心，广东 深圳 518060
1.7 μm激光处于眼安全波段并位于许多重要气体分子的指纹吸收峰，在生物医疗、气体传感等领域具有重要应用价值。而涡旋光束作为一种新兴的结构光场，其具有环形光强分布和螺旋相位波前，并携带轨道角动量，在光通信、微粒操控等领域应用广泛。因此发展1.7 μm高能涡旋激光器具有重要的研究价值和应用前景。但传统稀土离子掺杂光纤或晶体的发射谱，或难以覆盖该波段，或在该波段激光增益较小，且涡旋光产生主要基于空间光结构，导致1.7 μm波段涡旋光激光系统复杂、集成度低，难以实现高功率输出。本文利用螺旋长周期光纤光栅作为涡旋模式转换器，在基于受激拉曼散射效应的1.7 μm波段光纤随机激光半开放腔中实现了全光纤结构的高功率涡旋激光输出，最大输出功率为2.09 W，中心波长为1690 nm。得益于涡旋光纤随机激光器的全光纤结构，该装置具有良好的时域稳定性，短时时域波动低至2.8%。该研究结果不仅为实现兼具高功率输出和良好时域稳定性的紧凑型1.7 μm波段涡旋激光器提供有效方案，还能进一步拓展其在激光医疗、气体检测、光镊和生物成像等领域的应用。
1.7 μm波段 涡旋光束 光纤随机激光器 螺旋长周期光纤光栅 涡旋光纤随机激光器 光学学报
2023, 43(22): 2214003
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of In-fiber Integrated Optics, Ministry of Education, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
2 Photonics Research Center, Guilin University of Electronics Technology, Guilin 541004, China
Vector bending sensing has been consistently growing in many fields. A low-cost and high sensitivity vector bending sensor based on a chirped long-period fiber grating (LPFG) with an off-axis micro helix taper is proposed and experimentally demonstrated. The grating is composed of several sections of single-mode fiber with gradually larger lengths, and the off-axis micro helix tapers with fixed lengths when they are fabricated by using the arc discharge technology. The large refractive index modulation in the micro-helix taper greatly reduces the sensor size. The total length of the sensor is only 4.67 mm. The micro-helix taper-based LPFG can identify the bending direction due to the asymmetric structure introduced by the micro helix. The experimental results show that the transmission spectra of the sensor have distinct responses for different bending directions, and the maximum bending sensitivity is 14.08 nm/m-1 in the range from 0.128 m-1 to 1.28 m-1. The proposed bending sensor possesses pronounced advantages, such as high sensitivity, small size, low cost, and orientation identification, and offers a very promising method for bend measurement.
bending sensor chirped long-period fiber grating off-axis micro helix taper orientation identification Chinese Optics Letters
2023, 21(6): 060604
1 暨南大学信息科学技术学院，广东 广州 510632
2 中山大学电子与信息工程学院，广东 广州 510275
本文从局域耦合模理论出发，对基于CO2激光器刻写的强调制少模长周期光纤光栅建立模型，实现了少模光栅调制区域纤芯传导模式间的耦合过程分析。该模型通过引入非对称与角向折射率调制，表征了光栅调制中较强且呈角向的折射率变化，从而获得了更准确的模式耦合系数及传播常数；将模式耦合系数及传播常数代入基模与三阶角向模式之间的耦合方程进行求解，实现了对光栅传输谱的仿真，且仿真结果与实验结果相匹配。最后，通过改变光栅模型的参数（光栅周期、周期数、调制深度），研究了传输谱的变化规律，为设计与制作更高阶模式的强调制少模长周期光纤光栅提供了参考。相比于其他模型，该模型能更准确地分析基于局部高强度激光照射、热处理的强调制长周期光纤光栅的传输谱特性。
光栅 长周期光纤光栅 折射率调制 少模光纤 传输谱 中国激光
2023, 50(13): 1306002
1 上海大学通信与信息工程学院上海市特种光纤与光接入网教育部重点实验室，上海 200444
2 江西师范大学物理与通信电子学院江西省光电子与通信重点实验室，江西 南昌 330022
3 河南师范大学电子与电气工程学院河南省光电传感集成应用重点实验室，河南 新乡 453007
长周期光纤光栅作为一种重要的光无源器件，与所有光纤传感器一样具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、体积小、与光纤系统兼容等优点，在光纤传感与光纤通信领域都有广泛的应用。本文对长周期光纤光栅的模式耦合原理、理论分析方法、光栅制备技术及其在光纤传感与光纤通信领域的主要应用进行了总结分析，其中制备技术主要总结了激光制备技术（包括紫外激光、二氧化碳激光、飞秒激光制备技术）与非激光制备技术（包括电弧放电、机械微弯、包层腐蚀、熔融拉锥、离子注入、超声调制技术），分别介绍了长周期光纤光栅在温度、应变、弯曲、扭转和环境折射率、生化传感等方面的应用，对于光纤通信领域的应用则侧重于全光纤滤波器、模式转换器、起偏器、模式耦合器等方面。本文是按照教程论文的形式撰写的，旨在为相关领域的学生、科研工作者提供一个系统的介绍。
光纤光学 长周期光纤光栅 模式耦合 模式转换 光纤传感器 光纤通信 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0900001
为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。
光纤光学 光纤传感器 长周期光纤光栅 液位测量 光纤熔接机 fiber optics optical fiber sensor long period fiber grating level measurement optical fiber fusion machine
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 空装驻太原地区军事代表室，山西 太原 030006
结合笼形分子（Cryptophane-E）对甲烷气体的选择性吸收特性，提出了一种基于双层薄膜的高灵敏度长周期光纤光栅（LPFG）甲烷体积分数传感器。通过减小包层直径使低阶包层模式LP06工作在色散转折点（DTP）附近，并在光纤表面涂覆厚度经过优化的TiO2薄膜，以确保包层模式LP06在模式转换（MT）区内与纤芯模式LP01耦合，从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。由于甲烷气体分子会改变最外层Cryptophane-E薄膜的材料折射率，进而改变包层模式的有效折射率，因此通过监测共振波长的移动即可实现对甲烷气体体积分数的测量。在DTP和MT效应的共同作用下，当甲烷气体体积分数从0%变化到3.5%时，所提的LPFG传感器平均灵敏度高达249.6 nm/%。此外，针对本传感器在不同甲烷体积分数下的非线性响应特征，设计了反向传播（BP）神经网络信号解调算法。研究结果表明：在甲烷气体体积分数变化范围内，其最大预测误差为0.008%，该传感器良好的性能使其在煤矿安全监测等领域具有潜在的应用价值。
光纤光学 甲烷体积分数 长周期光纤光栅 色散转折点 模式转换 反向传播神经网络 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0706009
中国电子科技集团公司 第五十二研究所, 杭州 311100
针对现有光纤传感器测量温度、磁场强度时灵敏度较低的问题, 提出了一种基于光信号的光纤温度磁场传感器。传感器以长周期光纤光栅(LPFG)级联光纤布喇格光栅(FBG)作为传感结构, 以磁流体作为磁性敏感材料, 采用HF溶液腐蚀光纤包层来提高灵敏度。首先介绍了传感器实现温度和磁场强度的双参量测量原理, 然后利用Optigrating仿真软件对LPFG-FBG传感单元进行模拟仿真, 最后根据仿真结果制作传感器并搭建实验环境进行温度和磁场强度的测量实验。实验结果表明: 当温度为35~85 ℃时, 传感器的温度灵敏度为85.7 pm/℃; 当磁场强度为4~20 mT时, 磁场强度灵敏度为65 pm/mT, 且稳定性良好。
长周期光纤光栅 光纤布喇格光栅 磁流体 温度 磁场强度 long period fiber grating fiber Bragg grating magnetic fluid temperature magnetic field intensity
沈阳辽海装备有限责任公司, 辽宁 沈阳 110000
提出一种基于双长周期光纤光栅(LPFG）的边孔光纤微流传感器。该边孔光纤(SHF）内有2个空气孔, 是天然的微流体通道, 该微流传感器可进行温度补偿。利用CO2激光器在边孔光纤上写入双LPFG, 其共振波长分别为1 268.7 nm和1 385.8 nm。实验结果表明, 当传感器置于折射率1.335~1.395的甘油水溶液中, 2个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU, 温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃, 利用折射率和温度灵敏度可推导出传感器的传感矩阵。该文所提出的带有温度补偿的微流传感器具有良好的线性响应度, 可实现折射率和温度的同时测量, 在环境监测和食品安全领域有潜在价值。
长周期光纤光栅(LPFG) 边孔光纤 微流传感器 温度补偿 传感矩阵 long-period fiber grating side-hole fiber microfluidic sensor temperature compensation sensor matrix
