聚合物Bragg光纖光柵的制作及其傳感特性的研究.pdf

1、Bragg 光纖光柵作為一種新型的基于波長檢測的傳感器，具有尺寸小、重量輕、抗電磁干擾、并且重復(fù)性好等眾多優(yōu)點，是目前傳感器研究的主流之一。絕大多數(shù)Bragg 光纖光柵傳感器還是基于石英光纖，自從1999年聚合物光纖光柵首次報道以來，聚合物光纖光柵引起了越來越多的關(guān)注。聚合物光纖光柵比石英光纖光柵有更多的優(yōu)點，如柔韌性、好的生物相容性、更小的楊氏模量、更大的熱光系數(shù)和更大的熱膨脹系數(shù)，所以聚合物光纖光柵能夠提供更高的靈敏度和更寬的響應(yīng)范

2、圍。本文就摻雜安息香二甲醚(BDK)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物Bragg 光纖光柵的制作及其傳感特性進行了深入的理論分析和實驗研究，主要包括單模和多模聚合物Bragg 光纖光柵的制作、單模聚合物Bragg 光纖光柵的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等傳感特性以及多模Bragg 光纖光柵各模式的傳感特性差異，取得了若干具有創(chuàng)新性的成果。本文的主要內(nèi)容總結(jié)如下：
　　 描述了聚合物Bragg 光纖光柵的物理模型，并使用耦合模理論計算了聚合

3、物Bragg 光纖光柵各結(jié)構(gòu)參數(shù)對其光譜特性的影響。分析了掩模板的0 級衍射對刻寫的Bragg 光纖光柵周期的影響，在此基礎(chǔ)上提出了本論文中使用的改進的掩模法刻寫光纖光柵系統(tǒng)。使用預(yù)制拉絲法制作了纖芯摻雜光敏性聚合物材料BDK的單模和多模聚合物光纖，在其上刻寫了Bragg 光纖光柵，并測量了聚合物Bragg光纖光柵的光譜。通過對聚合物Bragg 光纖光柵光譜動態(tài)形成過程的監(jiān)測，研究了這種摻雜BDK的PMMA 聚合物光纖的光敏性，分析了在

4、曝光過程中光纖纖芯折射率改變量隨曝光時間的變化。
　　 研究了聚合物Bragg 光纖光柵的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等傳感特性，并與石英光纖光柵的相應(yīng)傳感特性進行了對比。與石英材料不同，聚合物材料作為一種高分子材料，其最大的特點的是力學(xué)性能具有粘彈性，主要體現(xiàn)在蠕變和應(yīng)力松弛兩個方面。使用標準線性固體模型，分析了聚合物材料的粘彈性，并分析了粘彈性對聚合物Bragg 光纖光柵應(yīng)力和應(yīng)變的傳感特性的影響。模型中，主要考慮了蠕變對聚合物Brag

5、g 光纖光柵應(yīng)力特性的影響以及應(yīng)力松弛對光纖光柵應(yīng)變特性的影響，并通過實驗進行了驗證。結(jié)果表明，聚合物Bragg 光纖光柵在加載應(yīng)力的瞬間，會產(chǎn)生一個瞬時的波長移動，并隨著時間繼續(xù)向長波方向蠕變，并在一定的時間后達到平衡狀態(tài)。在小應(yīng)力范圍內(nèi)，該蠕變量的大小和與施加的應(yīng)力成線性關(guān)系。聚合物材料的應(yīng)力松弛會對Bragg 光纖光柵的應(yīng)變傳感特性造成影響也會使Bragg波長緩慢漂移，但在小應(yīng)變條件下漂移量很小，其Bragg波長隨應(yīng)變的變化具有良

6、好的線性度。聚合物Bragg 光纖光柵與石英Bragg 光纖光柵相比具有極高的應(yīng)力靈敏度和溫度靈敏度，約為石英Bragg 光纖光柵的10倍，應(yīng)變靈敏度則與石英Bragg 光纖光柵相當。
　　 使用耦合模理論討論了多模光纖的模式耦合，模擬了多模聚合物Bragg 光纖光柵的反射譜。分析了多模聚合物Bragg 光纖光柵不同模式的Bragg波長對應(yīng)變和溫度的傳感特性并進行了實驗驗證。結(jié)果表明各模式的Bragg波長對應(yīng)變具有幾乎相同的靈敏