基于时间拉伸技术的超快全光纤瞬态气压传感

《Infrared Physics & Technology》:Ultrafast All-Fiber transient air pressure sensing using time-stretch technique

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月24日 来源:Infrared Physics & Technology 3.8

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   摘要本文提出了一种全光纤瞬态气压传感系统,该系统结合了多模光纤-单孔双芯光纤-多模光纤(MMF-SHDCF-MMF)结构与时域拉伸技术。带孔的SHDCF增强了多模干涉效应,从而显著提高了对气压变化的传感灵敏度。借助时域拉伸技术,由气压变化引起的谐振波长偏移从频域映射至时域。该

  

摘要

本文提出了一种全光纤瞬态气压传感系统,该系统结合了多模光纤-单孔双芯光纤-多模光纤(MMF-SHDCF-MMF)结构与时域拉伸技术。带孔的SHDCF增强了多模干涉效应,从而显著提高了对气压变化的传感灵敏度。借助时域拉伸技术,由气压变化引起的谐振波长偏移从频域映射至时域。该技术利用具有自相似放大特性的宽带飞秒光纤激光器与长单模光纤协同实现,从而实现了超快响应和高精度气压测量。实验结果表明,所提出的系统实现了0.943 nm/MPa的气压灵敏度、24.50 MHz的采样频率以及0.062 ns/MPa的时间漂移灵敏度,且具有良好的线性度。该系统能够准确捕捉瞬态泄压过程的动态特性,为恶劣高压场景下的动态气压监测提供了高速高精度的技术方案,展现了兆赫兹级动态压力跟踪能力。

引言

在过去几十年中,光纤传感器因其体积小、稳定性高、灵敏度高和实时测量能力强等显著优势而得到了广泛研究 [1], [2], [3], [4]。作为基本的物理和环境参数,气压在电力设备维护、工业过程调节和航空航天任务中起着至关重要的作用。所有这些实际应用都要求传感器具备快速响应和连续高精度测量的能力 [5], [6], [7], [8]。例如,在油气勘探中,准确监测地层气压能够评估井下工作状况,并分析压力波动对设备和地层的影响 [9]。然而,传统解调技术的解调速率较低,仅限于千赫兹范围(通常低于100 kHz),严重限制了快速瞬态压力信号的实时检测性能。表1。
解调速度直接受解调参数的控制 [10]。强度调制和波长调制是两种主流解调方案 [11], [12]。基于强度调制的光纤传感器在环境干扰下光功率不稳定,降低了调精度。对于波长调制传感器,波长漂移由温度、压力、振动、湿度、弯曲、折射率、气压等因素的变化引起 [13], [14], [15], [16]。波长漂移通常由体积庞大、成本高昂的光谱仪(OSA)进行测量,其机械扫描限制了调速度。边缘滤波器提供了一种低成本的替代方案,将波长偏移转换为强度变化 [17],但该方法精度较低,检测速率仅限于千赫兹范围(仅100 kHz)。
新兴的时域拉伸技术将单次光谱数据映射为时域波形,从而实现频域中的实时测量 [18], [19], [20], [21]。该技术在多个领域取得了显著进展,如孤子动力学、高速光谱学、超快成像和量子光子学 [22], [23], [24], [25], [26], [27]。通过建立波长到时域的映射关系,将波长变化转换为时间漂移,可使用实时示波器进行测量 [28]。变化速率与脉冲重复频率成正比,这有助于将调速率提升至兆赫兹范围。例如,该技术在众多应用中展现了卓越的性能,包括气体泄漏检测 [29]、压力传感 [30]、弯曲传感 [31]、湿度传感 [32]、冲击波速度测量 [33]、双梳测距 [34], [35]。这些成果验证了其在物理量高速高精度测量方面的通用适用性。
本文提出了一种结合MMF与SHDCF级联结构的气压测量系统,并引入时域拉伸技术实现超快气压监测。该系统采用宽带高功率飞秒保偏光纤激光器源,基于自相似放大原理应用时域拉伸技术。通过将MMF-SHDCF-MMF级联结构编码的光谱波形映射到时域,进一步提升了系统的响应速度和测量精度。该方法实现了高压动态环境下的实时监测,为超快气压测量提供了创新解决方案。

章节摘要

传感器制备、传感器设计及工作原理

图1(a)展示了所提出的多模干涉仪(MMI)传感器的结构示意图,该传感器由导入/导出单模光纤(SMF)、两段MMF和一段SHDCF(长江光电有限公司)组装而成。具体而言,SMF的纤芯直径为8.2 μm,包层直径为125 μm,而MMF的纤芯直径为105 μm,包层直径为125 μm。图1(b)描绘了SHDCF的截面结构。对于SHDCF,

实验结果

首先,测量了保偏光源和自相似放大系统的输出信号,结果如图6(a)所示。其中,红色曲线代表由OSA测量的宽带平顶激光光谱,而黑色曲线表示经过MMF-SHDCF-MMF传感结构后的光谱,直观地展示了传感结构对激光脉冲光谱的调制效应。为进一步探究,

结论

在本研究中,我们基于MMF-SHDCF-MMF结合时域拉伸技术,验证了一种超快全光纤瞬态气压传感系统。得益于气孔增强的应力调制效应,所提出的SHDCF结构相比传统双芯光纤实现了优越的压力灵敏度。配备自相似放大飞秒锁模激光器后,该系统实现了24.50 MHz的高速信号采集,时间灵敏度

CRediT作者贡献声明

张炳杰:撰写—原稿、软件、方法、数据管理。朱文韬:软件、方法、调查。邱志超:软件、调查。毛丁:撰写—审稿与编辑、软件、数据管理。唐艺文:撰写—审稿与编辑、软件。周汝军:软件、项目管理。王莹:撰写—审稿与编辑、软件、形式分析。凌强:撰写—审稿与编辑、验证、监督、软件、数据管理。张宇生:

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到国家自然科学基金资助,资助编号为62305299和42575146。
张炳杰|朱文韬|邱志超|毛丁|唐艺文|周汝军|王莹|凌强|张宇生|罗思|余章维|陈大如
浙江师范大学杭州国际联合学院,中国杭州311231
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