1 东北大学秦皇岛分校控制工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
3 东北大学秦皇岛分校河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室，河北 秦皇岛 066004
提出了一种双柄空心微瓶腔结构，利用微纳光纤耦合激发出了回音壁模式（WGM）谐振，通过控制轴向拉伸应变，实现了回音壁模式的谐振波长和品质因子Q的调谐，通过非对称拉锥的方式改变微腔结构，增大了双柄微腔结构轴向拉伸对腔长和壁厚的改变量，从而使谐振波长的调谐范围达到了0.66 nm。所提结构在激光器、滤波器和传感检测等应用方面具有实际意义。实验中进一步探究了非对称双柄回音壁模式微腔的应变传感特性，结果表明，WGM谐振峰对轴向拉伸应变的灵敏度可达0.795 pm/µε，分辨率小于25 µε，线性度达0.999。由于回音壁模式谐振腔具有极窄的谐振峰，该传感方法能够实现更高的传感分辨率，为高分辨率应变传感提供了新思路。
集成光学 回音壁模式 空心微瓶腔 谐振峰调谐 应变传感
1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室，广东省光纤传感技术粤港联合研究中心，深圳市 物联网光子器件与传感系统重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，深圳市 超快激光微纳制造重点实验室，广东 深圳 518060
3 人工智能与数字经济广东省实验室（深圳），广东 深圳 518107
基于瑞利散射的光频域反射技术（OFDR）因其高空间分辨率和高灵敏度等优点，在航空航天、健康医疗和高精密仪器检测等领域受到广泛关注。OFDR技术因光纤中瑞利信号弱和光源非线性调谐等问题，限制了其空间分辨率和传感距离等性能的提升。针对此问题，论述了OFDR传感原理，介绍了提升OFDR性能的光纤后处理和数据后处理2种方法，重点介绍了紫外曝光和飞秒激光后处理方法制备瑞利散射增强型光纤，并利用瑞利散射增强型光纤结合后处理算法，实现了温度、应变和三维形状传感。
光频域反射技术 分布式光纤传感 瑞利散射 温度传感 应变传感 形状传感 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106007
1 燕山大学理学院，河北 秦皇岛 066004
2 洛阳理工学院计算机与信息工程学院，河南 洛阳 471000
提出一种基于Sagnac干涉原理的光纤传感器，并将其用于温度和应变的环境检测。实验中，选用乙醇溶液填充前后的保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为传感单元。首先，将未填充乙醇溶液的PM-PCF熔接到Sagnac干涉环路中，依靠PM-PCF基底材料的光热效应和光弹性效应，分别在26~50 ℃温度范围内和0~900 μ?应变范围内，实现了-1.72 nm/℃的温度传感灵敏度和35.35 pm/μ?的应变灵敏度。然后，利用氮气加压装置，将乙醇溶液填充到PM-PCF包层空气孔内。这是利用功能材料的外场调谐作用来增强Sagnac干涉仪的传感性能。填充乙醇溶液后，该传感器的温度灵敏度达到-2.66 nm/℃，约为原始PM-PCF温度灵敏度的1.55倍。所提出的用于温度和应变测量的Sagnac干涉传感器结构较为简单，具有良好的迟滞性，对提升光纤传感灵敏度具有一定的借鉴意义。
光纤光学 Sagnac干涉 保偏光子晶体光纤 温度传感 应变传感 光学学报
2023, 43(10): 1006005
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Optical Fiber Sensing & Communications (Ministry of Education), University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
2 Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China
3 School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
A length-matched micro Fabry-Perot (FP) interferometer is proposed for strain measurement under irradiation environment. Theoretical simulation shows that a well length-matched FP sensor can achieve a very low drift of the cavity length and strain sensitivity in irradiation environment. In experiment, such an FP cavity is realized by laser micromachining. It shows a low cavity length drift of -0.037 μm and a strain sensitivity deviation of 0.52%, respectively, under gamma irradiation. Meanwhile, the intensity of interference fringes is also stable. As a result, such a length-matched FP cavity is a very promising candidate for strain sensing in radiative environments.
Gamma radiation Fabry-Perot sensor radiation-induced compaction strain sensing Photonic Sensors
2022, 12(4): 220418
1 西北工业大学 物理科学与技术学院 陕西省光信息技术重点实验室，西安 710129
2 西安石油大学 理学院 陕西省油气资源光纤探测工程技术中心，西安 710065
3 西北大学 物理学院，西安 710069
针对油气开采微地震监测高频检波器的要求，提出了一种基于对称铰链的光纤布拉格光栅高频加速度检波器结构，分析了该检波器的振动传感原理，利用仿真软件分析了该结构模型的谐振频率，同时对检波器的幅频特性、加速度响应灵敏度、横向抗干扰性能、冲击响应等性能进行了实验研究。实验结果表明：基于对称铰链结构的光纤布拉格光栅检波器谐振频率为1 200 Hz，与利用软件仿真的谐振频率1 191 Hz结果一致；在工作频率20~800 Hz，加速度灵敏度约为10.2 pm/g，线性系数为0.999 8；交叉轴灵敏度约为主轴的5%；在谐振频率附近有很好的冲击响应特性。该检波器加工工艺简单、可靠性高、工作频带宽、灵敏度高、横向抗干扰性好，在石油开采等领域有很好的应用前景。
光纤布拉格光栅 应变传感 加速度检波器 铰链 幅频响应 Fiber Bragg grating Strain sensing Accelerometer Hinge Amplitude-frequency response 光子学报
2022, 51(10): 1006003
1 华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237
2 武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
3 香港科技大学土木与环境工程系，中国 香港 999077
激光直写是一种高效、可规模化制备柔性电子器件的技术。本文采用激光直写技术在具有良好介电性能的聚酰亚胺薄膜上制备了一种可用于应变传感和湿度传感的柔性环形天线传感器。利用激光碳化聚酰亚胺获得的材料表面呈现多孔及堆叠片层碳结构，当施加于天线上的应变和环境湿度改变时，天线的谐振频率会发生规律变化，进而实现应变和湿度感知。制备的环形天线传感器的应变响应灵敏度为?8.943 kHz/με，湿度响应灵敏度为?6.45 MHz/RH%。采用激光直写技术制备的天线传感器可以广泛应用于结构健康监测等领域。
强激光与粒子束
2021, 33(11): 111010
1 北京航天控制仪器研究所, 北京 100854
2 北京光纤传感系统工程技术研究中心, 北京 100094
光频域反射(OFDR)技术是一种基于频域分析的光学检测技术,通过互相关算法可以实现高空间分辨率的分布式光纤温度、应变传感,在航天器、飞行器等的结构健康监测中具有重要的作用。普通互相关运算在OFDR光纤温度、应变传感解调算法中存在测量量程较小和计算量较大的问题,限制了OFDR的大量程应用和解调速率的提高。为此,提出一种自适应量程的互相关算法,该算法不仅有效增大了OFDR的温度、应变测量量程,同时提高了系统的解调效率。实验验证了算法的可行性,并测试了算法的运行时间,结果表明该算法可使解调效率提高为原来的2.25倍;实际测量了20~500 ℃的大量程温度曲线,给出三次方曲线拟合,拟合残差<0.1 ℃;在±3000 με的范围内进行应变测试,测试误差≤5 με。
光学学报
2021, 41(13): 1306020
北京理工大学信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
光频域反射技术(OFDR)是高空间分辨率和高精度光纤链路性能检测和分布式光纤传感的重要技术途径。其中,激光在宽范围扫频下的扫频非线性和相频噪声是有待解决的关键问题。报道了基于延迟自外差光锁相的激光扫频非线性和相频噪声控制方法,实现了扫频范围为8 GHz、扫频速度为160 GHz/s的低相频噪声高线性激光扫频。基于该扫频激光进行了光纤链路损耗测量和分布式光纤应变传感实验,实现了动态范围为27 dB、空间分辨率为4.3 cm的240 km光纤链路损耗测量以及空间分辨率为5 cm的分布式光纤应变传感。实验验证了锁相控制激光扫频误差的有效性和优越性。
光学学报
2021, 41(13): 1306003
