組合式光纖光柵傳感原理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光纖光柵是沿光纖軸向形成具有周期性折射率調(diào)制分布的光纖模式選擇及耦合器件，因其具有插入損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、濾波特性優(yōu)異、抗電磁干擾及與光纖完全兼容等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光纖通信、光纖傳感及光纖激光器等領(lǐng)域，并發(fā)揮著舉足輕重的作用。將兩個(gè)及以上光纖光柵按照一定方式組合，可形成新型組合式光纖光柵。此類光纖光柵的結(jié)構(gòu)由各自光柵構(gòu)成，其性能則由各自光柵聯(lián)合確定，因而擁有更豐富的光纖模式及優(yōu)異的傳輸特性，可用于模式耦合、傳輸變換、參量感測(cè)等器件的設(shè)計(jì)

2、和研制，并成為近年來光纖器件研究的熱點(diǎn)。
　　本文對(duì)組合式光纖光柵進(jìn)行分類并分析了各類型組合式光纖光柵的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制出典型的新型組合式光纖光柵，進(jìn)行了光譜特性探測(cè)、模式耦合特性分析和傳感特性研究，并將其應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、彎曲、扭轉(zhuǎn)等參量的傳感測(cè)量。實(shí)驗(yàn)確定出各傳感元件的關(guān)鍵參數(shù)，制作了多個(gè)組合式光纖光柵傳感器樣品。本文主要研究工作和成果如下：
　　1.設(shè)計(jì)并研制出一種基于光纖布喇格光柵（ FBG）與長周期光纖

3、光柵（LPFG）疊加的組合式光纖光柵。其制作方法如下：首先，采用載氫技術(shù)與紫外曝光法在光敏光纖纖芯上寫制FBG；然后，在與FBG平行的包層處利用高頻二氧化碳（CO2）激光脈沖技術(shù)單側(cè)曝光寫制LPFG。由于兩個(gè)光柵對(duì)彎曲和溫度的響應(yīng)不同，因此通過建立參數(shù)矩陣可實(shí)現(xiàn)彎曲和溫度的同時(shí)測(cè)量。在±2m-1彎曲曲率范圍內(nèi)，該疊加組合式光柵彎曲靈敏度為-6.82nm/m-1；在20℃～90℃溫度范圍內(nèi)，溫度靈敏度為56.22pm/℃。與傳統(tǒng)的FBG與

4、LPFG級(jí)聯(lián)組合結(jié)構(gòu)相比，此疊加組合式光纖光柵結(jié)構(gòu)尺度僅限于LPFG的長度，不僅具有更精巧的傳感器結(jié)構(gòu)與尺寸，而且解決了彎曲與溫度交叉敏感問題，可用于與溫度相關(guān)的雙參數(shù)傳感器設(shè)計(jì)及研制。
　　2.設(shè)計(jì)并研制出一種基于FBG錯(cuò)位的組合式光纖光柵。其制作方法如下：首先，采用相位掩模板并利用紫外曝光法在光敏光纖纖芯上寫制FBG；然后，將FBG從幾何中心處切斷并進(jìn)行錯(cuò)位熔接，錯(cuò)位量大約為3.5μm。形成的錯(cuò)位組合式FBG是一種新型相移光纖

5、光柵，F(xiàn)BG原來的反射峰被分裂為兩個(gè)峰，波長分別為1549.74nm和1549.97nm。根據(jù)兩個(gè)反射峰對(duì)應(yīng)變和溫度的不同響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與溫度的同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)得出，應(yīng)變靈敏度為1.29pm/με；在15℃～85℃溫度范圍內(nèi)，溫度靈敏度為9.64pm/℃。
　　3.設(shè)計(jì)并研制出一種基于兩個(gè)不同類型LPFG級(jí)聯(lián)的非相關(guān)組合式光纖光柵。其制作方法如下：首先，用高頻CO2激光脈沖寫制LPFG；然后，利用CO2激光燒蝕光纖涂覆層，對(duì)其燒蝕

6、部分用氫氟酸濕法腐蝕光纖包層，制作出非對(duì)稱波狀LPFG；最后，將非對(duì)稱波狀LPFG與高頻CO2激光脈沖寫制的LPFG級(jí)聯(lián)，形成非相關(guān)組合式光柵結(jié)構(gòu)。利用兩種類型的LPFG對(duì)扭轉(zhuǎn)的不同響應(yīng)，該組合式光纖光柵可實(shí)現(xiàn)能辨別扭轉(zhuǎn)方向的高靈敏度扭轉(zhuǎn)測(cè)量。在順時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)時(shí)，扭轉(zhuǎn)靈敏度可達(dá)331.7pm/(rad/m)；在逆時(shí)針方向扭轉(zhuǎn)時(shí)，逆轉(zhuǎn)靈敏度可達(dá)310.3pm/(rad/m)。
　　4.設(shè)計(jì)并研制出非對(duì)稱波狀LPFG與高頻CO2激光脈

7、沖寫制的LPFG級(jí)聯(lián)形成的相關(guān)組合式光纖光柵干涉儀，通過改變軸向應(yīng)力的大小可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光柵的干涉。其次，采用濕腐蝕法制作非對(duì)稱雙錐光纖干涉儀。研究表明：通過對(duì)這兩種干涉儀施加軸向應(yīng)力，可加強(qiáng)或減弱模式的耦合強(qiáng)度。基于該原理的干涉儀結(jié)構(gòu)可用于周期或振幅可調(diào)的光纖光柵濾波器、光纖MZ干涉儀的設(shè)計(jì)及研制。
　　5.設(shè)計(jì)并研制出一種基于單模LPFG與少模LPFG級(jí)聯(lián)的非相關(guān)組合式光纖光柵，并利用高頻CO2激光脈沖單側(cè)曝光法寫制而成。少模光纖