光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉
冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而1 秒钟发出1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么，平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
实验6.3 钼阳极X 射线特征谱线的精细结构 一、实验目的 1. 通过Mo 阳极X 射线在单晶NaCl 上的第5级布拉格反射谱研究其特征谱线的精细 结构； 2. 测定钼元素特征谱K α、K β 及K γ谱线； 3. 解析K α谱线的双线结构，测定其双线结构的波长间隔； 二、实验原理 我们已经知道，Mo 阳极X 射线特征谱K α和K β线都是双线结构，可以通过其在NaCl 单晶上的高阶布拉格衍射谱观测出来，然而它们的物理本质是不一样的。 K β是由纯K β线——M 壳层到K 壳层的原子跃迁和K γ线——N 壳层到K 壳层的原子跃迁组成的，两条谱线的波长差为1.2 pm （见表1），所以只能在高阶衍射谱上分辨开来。 表1 钼特征谱K 、K 及K 线跃迁能量、波长和相对强度 K α的精细结构源于L 壳层的精细结构，即电子的自旋轨道特性。在X 射线谱上，L 壳层实际上是由三个子层L I 、L II 和L III 组成，这些子层向K 壳层的跃迁要遵从选择定则： ?l =±1，?j =0,±1 （1） ?l 为跃迁中轨道角动量l 的变化量，?j 为总角动量j 的变化量。这样一来，只有两种从L 壳层到K 壳层的跃迁：K α1 和K α2 （见图1）。表2中给出了钼元素这两条谱线的参考值，可以看出K α双线的波长间隔?λ=0.43 pm 。 表2 钼元素K 的波长及相对强度 本实验中，通过布拉格反射在NaCl 晶体上的高阶衍射解析出钼X 光谱的精细结构。 按照布拉格反射定理，入射光特征谱线的波长和掠射角存在下列关系时，接受到的反射光强度最大： n ?λ=2?d ?sin θ （2） n : 衍射阶数，d =282.01 pm ：NaCl 晶面间距。 可以看出，双线的波长间距?λ 决定布拉格衍射时双线之间的角间距?θ 图1 特征谱K α的精细结构
基于PC F实现稳定输出的主动锁模光纤激光器** 王芬,陈达如**,秦山,何赛灵 (浙江大学光通信联合研究中心,现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心,浙江杭州310058) 摘要:提出了一种利用高非线性光子晶体光纤(PCF)来稳定主动锁模光纤激光器的方法,理论分析了激光器中PCF的非线性偏振旋转效应(NPR),阐明了激光器稳定的短脉冲输出机理,获得了重复率为5GHz、脉宽为44 ps的稳定短脉冲输出。本文建议的激光器能用于如光码分多址(OCDMA)通信系统等诸多领域。 关键词:光子晶体光纤(PCF);非线性;主动锁模;光纤激光器;光码分多址(OCDMA) 中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2007)09-1052-03 A ctively Mode-Lock ed S tab ilized Fib er Lasers B ased on High ly Nonlinear P C F W ANG Fen,CH EN Da-ru**,QIN Shan,HE Sa-i ling (Center for Optical and Electromagnetic Research,State K ey L abo ratory of M odern Optical Instrumentation,Joint Research Center of Opti cal Communications of Zhejiang U niversity,Zhejiang Uni versi ty,Hangzhou310058,China) A bs tra ct:Actively mode-locked fiber lasers that are stabilized with a highly nonlinear photonic crystal fiber are proposed.T he nonli near polarization rotation effect of the photonic crystal fiber is theoretically analyzed,and the stabilization mechani sm of short pulse lasing is explained.Stable pulse output with a pulse wid th of about44p s and a repetition rate of5GHz is a-chi eved experi mentally.The proposed stable fiber laser can be used in an OCDMA system. Key words:photonic crystal fiber(PCF);nonlinear;actively mode-locked;fiber laser;OCDMA 1引言 稳定的高重复率的短脉冲光源在光通信、信息光电子和非线性光学等研究领域都有重要的应用价值[1~4]。特别是光通信领域中,光码分多址(OCDMA)具有高速的光信号处理、软容量及安全可靠等特点,因而将成为高速、大容量光纤通信的最佳可选方案之一,而稳定的高重复率的短脉冲光源的研究则是OCDMA目前亟待解决的关键问题之一[5]。目前,获得短脉冲的技术主要有锁模光纤激光器、半导体锁模激光器、连续分布反馈(DFB)半导体激光器和增益开关DFB激光器。其中:后两种技术要直接获得较短脉冲比较困难,往往需要经过复杂的脉冲压缩;半导体激光器虽有容易获得超短脉冲的优点,但存在设备复杂、性能不稳定等缺点。所以易产生高重复率、高质量脉冲且与全光通信系统兼容性佳的锁模光纤激光器被认为是未来高速光纤通信的首选理想信号源[6]。Matsas等[7]首次提出非线性偏振旋转效应(NPR)在光纤激光器中的应用,提高了脉冲稳定性,而且系统具有结构简单易实现的优点。Abedin 等[8]利用具有正色散和负色散的光纤构成环形腔,通过调节各段光纤的长度改变腔内的平均色散值,得到重复频率为220 MH z、脉宽为125fs的短脉冲输出。在利用光纤非线性效应的实验中要用到较长的单模光纤或色散位移光纤来积累非线性的效果[9],但较长的光纤很容易受到外界环境变化产生的干扰,因此会导致整套系统的稳定性变差。近来研究较多的高非线性光子晶体光纤(PCF)的非线性系数可达到普通色散位移光纤的10倍乃至更高,相应长度就可以短很多,因而在锁模光纤激光器中采用高非线性PCF有利于改善系统稳定性[10]。本文首次提出并演示了基于高非线性PCF的主动锁模光纤激光器。利用高非线性PCF的NPR恰好兼顾了结构简单和稳定性好两方面优点,成功获得了重复率为5GHz、脉宽为44ps的短脉冲。该光纤激光器具有结构简单易实现、调整方便且光脉冲的稳定性好等优点,可以作为OCDMA通信系统的信号源。 2原理 主动锁模光纤激光器主要是采取谐波锁模的方法。在谐波锁模情况下,加在调制器上的射频(RF)和驱动信号频率f m 等于激光器谐振腔基频f c的整数倍,即有f m=mf c(m为整数)。此时,主动锁模光纤激光器内的脉冲每次经过调制器时都获得最大的透过率,从而不断被压窄并形成锁模光脉冲。谐波锁模情况下腔模并不是与其相邻的纵模锁定在一起,而是与其相邻N个腔模间隔的模锁定在一起,每组相互锁定的模式称为/超模0。激光器中存在许多组超模,超模间的竞争及驰豫 光电子#激光 第18卷第9期2007年9月Journal of O p toelectronics#Laser Vo l.18No.9Sep.2007 *收稿日期:2006-08-28修订日期:2007-03-03 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(60277018,60407011);浙江省人才基金资助项目(R10415) **E-m ail:daru@https://www.doczj.com/doc/3c11010495.html,
光纤光栅的特性 1．光纤布喇格光栅的理论模型： 假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英，此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，对包层的折射率没有影响。 利用目前的光纤光栅制作技术：如全息相干法，分波面相干法及相位模板复制法等。生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布（如图1）所示。 )(1Z n 为纤芯的折射率，max n ?为光 致折射率微扰的最大值， )0(1n 为纤芯原折射率， Λ为折射率变化的周期（即栅距）， L 为光栅的区长度。 若忽略光栅横截面上折射率分布的不均匀性，光栅区的折射率分布可表示为： )2cos( )0()(max 11Z n n z n Λ ?+=π …………………………………………………（1.1） 显而易见，其折射率沿纵向分布，属于非正规光波导中的迅变光波导，在考虑模式耦合的时候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模之间。 2．单模光纤的耦合方程 由于纤芯折射率非均匀分布,引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时, 忽 略偏振效应,吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏,则非均匀波导中的场Φ( x , y , z ) 满足标量波动方程:0),,(}),,({22 2 20 2=Φ??++?z y x z z y x n sk t …………………（2.1） 其中：λπ/20=k ，λ是自由空间的光波长。 2 22 2 1}{1? ??+?Φ???=Φ?Φ r r r r r t …………………………………………………(2.2) 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中,因此非均匀波导中的场 可以表示为均匀波导束缚模式),(y x φ之和: ),()}exp()exp()({),()(),,(y x z i a z i z a y x z A z y x l l l l l l l l l φββφ-+-∑=∑=Φ………(2.3)
调Q光纤激光器和普通的调Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Ｑ激光脉冲输出。Ｑ开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一。 现状： 调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。全光纤化也是调Ｑ光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发出一些全光纤的Q开光来代替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。 用于光纤激光器的调Ｑ技术大致可以分为光纤型调;和非光纤型调Ｑ两类。非光纤型调Ｑ有光调Ｑ、电光调Ｑ、机械转镜调Ｑ和可饱和吸收体调Ｑ等。 非光纤型调Ｑ： 1.声光调Q激光器：
2.电光调Q激光器：
3.可饱和吸收体调Q激光器： 光纤型调Q装置 光纤型调Q装置有光纤迈克尔逊干涉仪调Q、光纤马赫
一曾特尔干涉仪调Q和光纤中的受激布里渊散射（ＳＢＳ）调Ｑ光纤激光器等。下面介绍混合调Q和脉冲泵浦受激布里渊散射混合调Q光纤激光器。 混合调Q光纤激光器 如图所示 得到了峰值功率3.7KW，脉宽2m的脉冲激光输出。 实验中选用掺钕双包层光纤作增益介质，光纤长7.2m,纤芯直径5.1um,数值孔径0.12。内包层为矩形结构,截面尺寸150um*75um。 泵源为800nm、3w激光二极管，有60%的泵光祸合到内包层中。 系统由一个全反镜和一个二向色镜构成驻波谐振腔。在双包层光 纤的输出端接几米长的单模光纤,实现调Q ,得到纳秒量级的激光脉冲。在腔内插人一声光调制器(AQM),使激光脉冲重复频率在6.6KHz-16.4KHZ范围内可调。 脉冲泵浦和受激布里渊散射混合调Q : 在线形腔双包层光纤激光器中,用脉冲泵浦和SBS混合调Q 。 如图所示
光纤光栅光学特性的测量 一、实验目的和内容 1． 了解光纤Bragg 光栅的原理及其主要光学特性。 2． 掌握Digtal lock-in Amplifier 工作原理和使用要领。 3． 掌握测量光纤Bragg 光纤反射光谱及其它光学特性的方法 二、实验基本原理 1． 光纤布拉格光栅的理论模型 光敏光纤布拉格光栅（FBG ,fiber Bragg grating ）的原理是由于光纤芯折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使的其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。这只是一个简化图形，实际上光敏折射率改变的分布将由照射光的光强分布所决定。 对于整个光纤曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较一般的描述： ? ?? ??≥≤≤≤+=2 32 1211)],,(1[),,(a r n a r a n a r z r F n z r n ?? 式中),,(z r F ?为光致折射率变化函数。具有如下特性： 1 ),,(),,(n z r n z r F ???= )(0 ),,() 0(),(1 max max L z z r F L z n n z r F >=<
第33卷 第8期2006年8月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.33,No.8 August ,2006 文章编号:025827025(2006)0821021204被动调Q 锁模掺镱光纤激光器 甘 雨1,2,向望华1,2,周晓芳1,2,张贵忠1,2,张 喆1,2,王志刚 1,2 (天津大学1精密仪器与光电子工程学院, 2 教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300072) 摘要 报道了基于偏振旋转技术等效快可饱和吸收体的被动调Q 锁模光纤激光器,采用976nm 半导体激光器作为抽运源,高掺杂浓度的Yb 3+光纤作为增益介质构成环形腔,通过调节抽运光功率和偏振控制器的角度得到了调 Q ,调Q 锁模与锁模三种稳定的输出脉冲。获得的锁模脉冲中心波长为1.05μm ,重复频率为20M Hz ,脉冲光谱宽 度为13.8nm ,抽运功率为270mW 时,锁模平均输出功率为15.82mW ;调Q 频率为17.54k Hz ,调Q 脉冲宽度为 8μs ,光谱宽度为4.7nm ;调Q 锁模中调Q 重复频率为300k Hz 。 关键词 激光器;调Q;锁模;偏振旋转;Yb 3+光纤激光器中图分类号 TN 248.1 文献标识码 A Passive Q 2Switching and Modelocking Yb 3+2Doped Fiber Laser GAN Yu 1,2,XIAN G Wang 2hua 1,2,ZHOU Xiao 2fang 1,2,ZHAN G Gui 2zhong 1,2,ZHAN G Zhe 1,2,WAN G Zhi 2gang 1,2 1 College of Precision I nst rument and O ptoelect ronics Engineering , 2 Key L aboratory of O ptoelect ronics I nf ormation and Technical S cience (M inist ry of Education ),Tianj in Universit y ,Tianj in 300072, China Abstract An all fiber laser based upon nonlinear polarization rotation as an effective fast saturable absorber for mode 2locking is reported.The absorber can act as passive Q 2switching and modelocking.The ring laser with a highly Yb 3+2doped fiber as the gain medium ,pumped by a semiconductor laser of 976nm wavelength ,can operate in three different stable regimes by proper adjustments of pump power and polarizer orientations :Q 2switched ,Q 2switched mode 2locked and continuous wave (CW )mode 2locked.The center wavelength of the CW mode 2locked pulse is 1.05μm with a f ull width at half maximum (FW HM )spectrum of 13.8nm ,the pulse repetition rate is 20M Hz ,and an average output power is 15.82mW with 270mW pump power.In Q 2switched regime ,the laser generates 8μs duration pulses of 4.7nm FW HM spectrum at a repetition rate of 17.54k Hz.The Q 2switched repetition rate is 300k Hz in Q 2switched mode 2locked regime.K ey w ords lasers ;Q 2switched ;mode 2locked ;polarization rotation ;Yb 3+fiber laser 收稿日期:2005212201;收到修改稿日期:2006202227 基金项目:天津市科委基金(043601011)和高等学校博士学科点专项科研基金(20050056004)项目资助。 作者简介:甘 雨(1978— ),男,黑龙江牡丹江人,天津大学精密仪器与光电子工程学院博士研究生,主要从事超短脉冲激光器和超高速光通信的研究。E 2mail :rainmangy @https://www.doczj.com/doc/3c11010495.html, 导师简介:向望华(1947— ),男,湖南溆浦人,天津大学精密仪器与光电子工程学院教授,博士生导师,目前研究方向为光电子技术、超快激光与光通信技术方面的研究。E 2mail :wanghuaxiang @https://www.doczj.com/doc/3c11010495.html, 1 引 言 稳定、低噪声的超短脉冲光源在超快光谱学、多光子显微学、超快生物学和光通信等领域具有很重要的应用价值。锁模光纤激光器以其结构紧凑、小型化、成本低、易于实现全固化等优良的性能有望在许多应用中替代传统的固体锁模激光器。基于以上的特点,在过去的10年中,锁模光纤激光器得到了 极大的发展,大量的研究工作主要围绕掺铒光纤和 掺钕光纤进行[1～3]。近年来,同其他掺杂粒子相比,以镱元素作为增益粒子的掺镱光纤具有高的量子效率,没有基态和激发态吸收,长的上能级寿命,宽的吸收谱,在915nm 和976nm 处具有吸收峰,高掺杂时无浓度淬灭,便于半导体激光器抽运等优点,将取代掺钕光纤,成为1μm 波段的主要工作物质。在超
元素常用光谱特征线
377.764 206.170 Bi 223.061 222.825 Hg 184.957* 253.652 227.658 306.772 239.356 405.393 Ca 422.673 272.164 Ho 410.384 410.109 393.367 412.716 396.847 417.323 242.4.93 256.015 Co 240.7.25 304.4.00 In 303.936 325.609 352.6.85 410.476 252.1.36 451.132 359.349 263.942 Cr 357.869 360.533 Ir 263.971 266.479 425.437 284.972 427.480 237.277 894.350 404.414 Cs 852.110 455.536 K 766.491 404.720 459.316 769.898 216.509 357.443 Cu 324.754 217.894 La 550.134 392.756 218.172 407.918 327.396 494.977 419.485 Dy 421.172 404.599 Li 670.784 274.120 394.541 323.261 394.470 279.553 308.147 Mg 385.213 202.580 Lu 335.956 328.174
283.306 244.791 319.990 Pd 247.642 276.309 340.458 Ti 364.268 363.546 365.350 399.864 491.403 231.598 Pr 495.136 504.553 513.342 Tl 276.787 237.969 258.014 377.572 214.423 355.082 Pt 265.945 248.717 283.030 U 351.463 358.488 394.382 306.471 415.400 420.185 382.856 Rb 789.023 421.556 V 318.398 318.540 794.760 437.924 345.188 265.654 Re 346.046 242.836 W 255.135 268.141 346.473 294.740 339.685 410.238 Rh 343.489 350.252 369.236 370.091 Y 407.738 412.831 414.285 372.803 266.449 Ru 349.894 379.940 Yb 398.799 267.198 346.437 206.833 202.551 Sb 217.581 212.739 Zn 213.856 206.191 231.147 307.590
光纤光栅的特性
光纤光栅的特性 1．光纤布喇格光栅的理论模型： 假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英，此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，对包层的折射率没有影响。 利用目前的光纤光栅制作技术：如全息相干法，分波面相干法及相位模板复制法等。生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布（如图1）所示。 ) (1Z n 为纤芯的折射 率，m ax n ?为光致折射 率微扰的最大值， ) 0(1n 为纤芯原折射 率， Λ 为折射率变化的周期（即栅距）， L 为光栅的区长度。 若忽略光栅横截面上折射率分布的不均匀
性，光栅区的折射率分布可表示为： )2cos()0()(max 11Z n n z n Λ ?+=π ………………………………………………… （1.1） 显而易见，其折射率沿纵向分布，属于非正规光波导中的迅变光波导，在考虑模式耦合的时候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模之间。 2．单模光纤的耦合方程 由于纤芯折射率非均匀分布,引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时, 忽 略偏振效应,吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏,则非均匀波导中的场Φ( x , y , z ) 满足标量波动方程: ),,(}),,({22 220 2=Φ??++?z y x z z y x n sk t …………………（2.1） 其中：λ π/20 =k ，λ是自由空间的光波长。 2 22 2 1}{1???+?Φ???=Φ?Φ r r r r r t ………………………………… ………………(2.2) 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中,因此非均匀波导中的场
光纤光栅的特性 1光纤布喇格光栅的理论模型： 假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英, 此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，对包层的折射率没有影响。 利用目前的光纤光栅制作技术： 如全息相干法，分波面相干法及相位模板复制法等。 生产的 光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布(如图 1)所示。 n i (Z )为纤芯的折射率， n 吶为光 致折射率微扰的最大值， n i ( °)为纤芯原折射率， 上为折射率变化的周期(即栅距)， L 为光栅的区长度。 若忽略光栅横截面上折射率分布的不均匀性，光栅区的折射率分布可表示为： 2兀 n i (z)二 n i (0) ............................... 'n max cos( Z) ( 行) A 显而易见，其折射率沿纵向分布， 属于非正规光波导中的迅变光波导， 在考虑模式耦合 的时候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模 之间。 2.单模光纤的耦合方程 由于纤芯折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时 ，忽 略偏振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏 ，则非均匀波导中的场 ①(x , y , z )满足标量波动方程：｛'2 sk 2n 2(x, y,z) ? —三｝门&, y,z) = 0 ............................... ( 2.1 ) 一z 其中：k 0 =2二八，■是自由空间的光波长。 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中 可以表示为均匀波导束缚模式 (x, y)之和： "(x,y,z)二卡 A(z) l (x,y)二卡{a l (z) exp(-i rz) a 4 exp(i ：丨 z)} l (x, y) I- ,A 1 f 片㈣ ma x : 1 ■ t z (2.2) ，因此非均匀波导中的场 (2.3) 圈1均匀周期LE 弦型光纤光柵纤芯护射率
原子吸收光谱各元素常用谱线 元素常用光谱特征线 元素灵敏线次灵敏线元素灵敏线次灵敏线 Ag328.068338.289Er400.797415.110 381.033 393.702 397.360 Al309.271308.216 309.284 394.403 396153 Eu459.403 311.143 321.057 462.722 466.188 As188.990193.696 197.197 Fe248.327 208.412 248.637 252.285 302.064 Au242.795267.595 274.826 312.278 Ga287.424 294.418 403.298 417.206 B249.678249.773Gd368.413371.357 371.748 378.305 407.870 Ba553.548270.263 307.158 350.111 388.933 Ge265.158 259.254 270.963 275.459 Be234.861313.042 313.107 Hf307.288 286.637 290.441 302.053 377.764 Bi223.061206.170 222.825 227.658 306.772 Hg184.957*253.652 Ca422.673239.356 272.164 393.367 396.847 Ho410.384 405.393 410.109 412.716 417.323
Co240.7.25242.4.93 304.4.00 352.6.85 252.1.36 In303.936 256.015 325.609 410.476 451.132 Cr357.869359.349 360.533 425.437 427.480 Ir263.971 263.942 266.479 284.972 237.277 Cs852.110894.350 455.536 459.316 K766.491 404.414 404.720 769.898 Cu324.754216.509 217.894 218.172 327.396 La550.134 357.443 392.756 407.918 494.977 Dy421.172419.485 404.599 394.541 394.470 Li670.784 274.120 323.261 Mg385.213279.553 202.580 230.270 Lu335.956 308.147 328.174 331.211 356.784 Mn279.482222.183 280.106 403.307 403.449 Se196.090 203.985 206.219 207.479 Mo313.259317.035 319.400 386.411 390.296 Si 251.612 250.690 251.433 252.412 252.852 Na588.995330.232 330.299 589.592 Sm429.674 476.027 520.059 528.291 Nb334.371334.906 358.027 407.973 412.381 Sn224.605 235.443 286.333 Nd463.424 468.35 489.693 492.453 562.054 Sr460.733 242.810 256.947 293.183 407.771 Ni232.003231.096Ta271.467255.943
光纤光栅传感器实验 一、实验目的 1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性； 2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理； 3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。 二、实验原理 光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为 丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的 应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属 于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相 比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、 可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环 境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光 纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一 经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。 1. 光纤光栅及其基本特性 光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用 紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅 称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。 这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将 被反射： Λ=eff B n 2λ (1) 式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， 为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R 为： 附图1－1 光纤光栅示意图 布喇格光纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层
()R A A sL s sL sL r i ==+002222222()sinh cosh (/)sinh *κκβ? 图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的 一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。 其峰值反射率m R 为: ????????Λ?=eff m n nL R 2tanh 2 π (2) 反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值 2 2???? ???+??? ??Λ=?eff B B n n L λλ (3) （1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量 可以写成： /()(1)B a T Pe λλξε=++- (4) 其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大 约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振 动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传 感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光 栅传感的基本方程。 SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实 验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本 附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射
光纤激光器原理与特性详解 一、简介 光纤激光器，英文名称为Fiber Laser，是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来产生激光输出的装置。光纤激光器可在光纤放大器的基础上进行开发，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，因此在泵浦光作用下，光纤内部功率密度高，使得激光能级出现“粒子数反转”现象，在此基础上，再通过正反馈回路构成谐振腔，便可在输出处形成激光振荡。
二、结构 光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成，如下图所示。其中，泵浦源一般为高功率的半导体激光器，增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤，谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。 三、原理 在上图中，由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经
过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。 四、特点 特点一：由于光纤纤芯直径小，在纤芯内容易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。 特点二：由于光纤具有很好的柔绕性，因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。 特点三：与传统的固体激光器、气体激光器相比，光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。 特点四：与半导体激光器相比，光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的啁啾和畸变、且与光纤的耦合损耗较小。
和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。 对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点： (1)阈值应越低越好; (2)输出功率与抽运光功率的线性要好; (3)输出偏振态; (4)模式结构; (5)能量转换效率;
光纤光栅传感技术的特点 桥梁结构长期在线健康监测需要测试多种参数，包括结构参数和环境参数，桥梁结构的裂纹乃至破坏的主要表象就是应力过大、变形过大。应力测试在桥梁结构的长期健康监测中至关重要，就桥梁应力测试而言：①传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，由于温漂和零漂的影响，长期应变测试的结果会严重失真。②在混凝土内部应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦蠕变的原因，国产钢弦式应变传感器的正常使用期为3年左右。③由于机电类传感器的长期稳定性不好，桥梁结构的长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。 光纤传感器的种类较多，它能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势：如体积小、重量轻、灵活方便、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和无接地要求等，因此其应用范围非常广泛。早期的光纤传感器绝大部分是“光强型”和“干涉型”的。前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量器件老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化，它要求干涉条纹清晰；而清晰的干涉条纹来源于两路干涉光的光强相等，这使得光纤光路的灵活和连接的方便等优点大打折扣。同时由于它是一个过程传感器，并非状态传感器，要求有一个固定的参考点，也给工程应用带来了难度。因此这两类传感器在实际的工程应用中，由于安装要求高、环境影响大而受到很大的限制。 目前，应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普