多芯光纤中有多个独立并行的空间信道,利用其实现空间分集,以解决基于传统单模光纤的分布式光纤声波传感系统所面临的信号衰落和信噪比受限问题。通过扇入扇出模块,在多芯光纤的其中四个纤芯中进行信号的独立传输和分集探测,并采用相干合并技术对多路信号进行有效合并。实验结果表明,外部扰动信号得到了很好的重构,信号衰落被抑制,系统的底噪较优化后单模光纤系统降低了5.2 dB。传感器表现出高水平的性能,带宽可达10 kHz,最低底噪达-85 dB。

通过在锂离子电池内部埋入分布式光纤温度传感器,实现了对电池内温度场的实时分布式原位监测,并对其运行健康状态进行了预警和评估。根据锂离子电池结构设计模型,理论上模拟分析了不同运行环境下锂离子电池内温度场的分布状态和演化规律。基于此,选取特征温度点(正负极耳、中心点)优化传感器的布设位置,实现各种情况下温度场的准确测量,基于性价比给出传感器的优化组合,减少了传感器使用数量,降低了布设工艺的难度及解调设备的成本。在实验中埋入分布式级联的光纤光栅温度传感器,对模拟分析结果进行了验证。实验结果表明,随着外界环境温度的上升,各特征点温度都随之上升,但上升速率整体变小,而中心温度点具有较快的温升效应,实验结果与理论结果一致。该方法为未来大尺度锂离子电池集成组件健康状态的原位监测提供了技术参考和实施方案。

基于120°相差干涉和光场相位实时重构的窄线宽激光动态噪声特性测试方法,从时域频率调谐函数、频域频率噪声功率谱密度及其随时间的演化特征等方面,研究线性扫频激光器在不同扫频方式下动态相频噪声的细节特性。实验结果表明,扫频机理或参数差异导致结果呈现完全不同的实时动态噪声特性。电光调制能够在反馈锁相环辅助下获得最佳的扫频线性度,但会引起反馈谐振峰等噪声恶化,其控制参数不同,反馈谐振峰频率等特征也会发生变化;声光调制呈现最小程度的噪声恶化;压电调谐扫频线性度较差,且会附加较大的调谐噪声。该结果为激光器扫频机制及控制技术的研究和工程应用光源选型提供了参考。

基于谱库的匹配识别是应用拉曼光谱进行物质成分鉴别的关键, 会直接影响匹配结果的准确性。在谱库匹配中, 尤其是针对混合物的光谱, 利用单一的匹配特征无法全面反映被测样本光谱与谱库光谱的相似性, 光谱匹配识别时需要综合考虑多种匹配特征。采用逻辑回归数学模型融合谱峰匹配系数、非负最小二乘匹配系数以及夹角余弦匹配系数, 提出了一种新的光谱集成匹配方法。该方法既考虑了被测样品的谱峰信息, 又考虑了其全谱信息。基于20种氨基酸混合物拉曼光谱谱库匹配的实验结果表明：所提光谱集成匹配方法具有更低的误判率。

设计了两种用于单纵模光纤激光器的窄线宽全光纤环滤波器,其由超低反光纤光栅和1个(或2个)2×2光纤耦合器构成。从理论上推导出两种滤波器的反射率表达式,并且对其反射率、窄线宽和群时延特性进行了详细的数值分析和实验验证。研究结果表明:由超低反光纤光栅和光纤耦合器构成的单环滤波器具有高反射率、超窄线宽和大群时延特性,表现出良好的慢光效应。双环滤波器除了保持了以上良好特性,还因游标效应,共振幅度可调,相对单环滤波器,具有更大的有效自由光谱范围(FSR)、更大的边模抑制比(SMSR)以及不易跳模等特点。所研究的光纤环形滤波器具有窄线宽、结构紧凑和低成本等优点,可用作光纤激光器的反射腔镜来进一步压窄激光器线宽,尤其是当双环滤波器用作腔镜时,激光器的线宽更窄,模式更稳定。

研制了1550 nm波段的窄线宽、低噪声混合集成外腔半导体激光器,将保偏光纤布拉格光栅(FBG)作为反馈元件与半导体增益芯片进行耦合,并利用FBG斜边处的大群时延特性将半导体激光器的线宽压窄。所得到的蝶形封装激光器原型器件实现了稳定的单纵模、单偏振激光的保偏输出,在1 kHz处积分线宽为15.9 kHz的输出功率≥30 mW,洛伦兹线宽为4.85 kHz,本征线宽为4.06 kHz,相对强度噪声≤-155 dB·Hz ^-1@1 MHz,偏振消光比>25 dB,无跳模电流调谐范围≥8 GHz,无跳模温度调谐范围≥14 GHz,6 h功率稳定度为1.7%,频率漂移量<50 MHz。

为了研究铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)透明电光陶瓷在275~325 K下的电光效应, 观察了不同尺寸铁电畴的形貌, 测量了不同铁电畴尺寸陶瓷的电光系数, 从铁电性的角度分析了温度对透明陶瓷电光效应的影响机制, 并对不同波段电光陶瓷的电光效应进行表征。结果表明: 低温时陶瓷的电光系数较大; 电光系数随温度升高而减小, 但其变化趋势会因波段不同而略有差异, 这从微观上解释了陶瓷介电性能的变化是温度改变导致电光性能发生变化的原因。

相位敏感光时域反射计实现兆赫兹分布式振动检测相位敏感光时域反射计技术在周界安防、铁路安全检测等领域发挥着非常重要的作用。1993年，Taylor提出了这一技术，实现了高灵敏度的分布式光纤振动实时检测。直至2010年，该技术的响应带宽才受到研究人员的关注。Bao课题组采用相干探测技术和滑动平均技术提升信噪比，最大频率响应达到1 kHz，传感光纤长度约为1.2 km。2013年Martins等利用半导体光放大技术在1.25 km传感光纤长度下实现了39.5 kHz超声波检测。这些技术虽然取得了一定的成效，但其响应带宽仍然受到传感范围的限制。基于此，本课题组提出了时间序列多频率源技术，在常规系统的受限重复周期内复用多个不同光波频率的脉冲，利用不同频率光波的探测信息综合重建高频扰动信号，一定程度上突破了传感范围对响应带宽的限制，并实现了MHz振动信号的分布式检测。

国家重大基础设施和关键区域的安全, 对于保障经济发展、****、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优势, 近年来受到各国科技界和工业界的广泛关注。详述了本课题组近10年来在该领域的研究成果, 包括Φ-OTDR定量化相位解调技术、信号干涉衰落的机理研究、超高频率响应带宽系统、超高空间分辨率系统、低噪声窄线宽单频激光器和激光扫频技术等方面的进展; 介绍了Φ-OTDR系统在周界安防和铁路安全监测等领域的工程应用, 并对Φ-OTDR的国内外发展趋势进行了简要的评述。