新結(jié)構(gòu)型長(zhǎng)周期光纖光柵制作及特性研究.pdf

1、光纖光柵可以在厘米、毫米、微米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖模式的調(diào)控，由于其質(zhì)量輕、尺寸小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光通信與光傳感領(lǐng)域，并將在新一代信息技術(shù)中發(fā)揮重要的作用。其中，結(jié)構(gòu)型長(zhǎng)周期光纖光柵，以其強(qiáng)調(diào)制、熱穩(wěn)定性好、尺寸更為緊湊等特性，更加有利于光學(xué)器件集成及微型化，是光纖光柵發(fā)展趨勢(shì)之一。
　　本文提出了一類新的結(jié)構(gòu)型長(zhǎng)周期光纖光柵，并在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)。將該類結(jié)構(gòu)型長(zhǎng)周期光纖光柵分別應(yīng)用于彎曲、扭曲、應(yīng)變、溫度、折射率等

2、機(jī)械或環(huán)境參量的測(cè)量，通過(guò)觀察光柵透射譜的演化，研究了其傳感特性，并在此基礎(chǔ)上提出了彎曲不敏感高溫傳感器、方向性扭曲傳感器、應(yīng)變與溫度同時(shí)測(cè)量傳感器、高靈敏度位移傳感器等。本文主要研究工作及相應(yīng)研究成果有:
　　1.首次將“錯(cuò)位”結(jié)構(gòu)作為光柵調(diào)制引入長(zhǎng)周期光纖光柵。由于錯(cuò)位結(jié)構(gòu)帶來(lái)的光纖幾何結(jié)構(gòu)的改變，使該錯(cuò)位型長(zhǎng)周期光纖光柵具有較強(qiáng)的光柵調(diào)制，從而在較短的光纖尺寸下便能形成較強(qiáng)的損耗峰。在實(shí)驗(yàn)中，錯(cuò)位量為3.5μm時(shí)，僅需2個(gè)周

3、期便能形成幅值大于20dB的損耗峰，該錯(cuò)位型長(zhǎng)周期光纖光柵的長(zhǎng)度僅為1.09mm。由于錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，錯(cuò)位型長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)非對(duì)稱模式有較強(qiáng)的耦合作用，通過(guò)模場(chǎng)觀察，在錯(cuò)位量為2.5μm時(shí)，光柵將纖芯基模LP01耦合到了LP14模式，這種非對(duì)稱調(diào)制結(jié)構(gòu)及模式耦合特性，可以實(shí)現(xiàn)方向性的傳感測(cè)量。
　　2.首次將“過(guò)熔”結(jié)構(gòu)作為光柵調(diào)制引入長(zhǎng)周期光纖光柵。過(guò)熔結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的光纖半徑增大，引起光纖模場(chǎng)失配，從而形成對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)調(diào)制。通過(guò)調(diào)

4、節(jié)設(shè)計(jì)光纖熔接時(shí)的推進(jìn)量，過(guò)熔的半徑及熔錐區(qū)長(zhǎng)度將發(fā)生改變，其對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制能力也將不同。當(dāng)光纖推進(jìn)量為60μm時(shí)，僅需5個(gè)光柵周期，過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵便能形成超過(guò)30dB的損耗峰。由于推進(jìn)量的不同，過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵能耦合不同階數(shù)的模式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，在推進(jìn)量為60μm和70μm時(shí)，光纖纖芯基模LP01分別被耦合到了LP15和LP14模式。該特性使過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)光纖模式的調(diào)控更為靈活方便，在模式轉(zhuǎn)換相關(guān)領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值。<

5、br>　　3.利用錯(cuò)位型長(zhǎng)周期光纖光柵的超短的尺寸與非對(duì)稱的光柵結(jié)構(gòu)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型彎曲不敏感高溫傳感器。其彎曲敏感性與彎曲方向有關(guān)，在最敏感的彎曲方向上，敏感度為0.1877nm/m-1，該值比傳統(tǒng)長(zhǎng)周期光纖光柵彎曲靈敏度低一個(gè)數(shù)量級(jí);在最不敏感的彎曲方向上，敏感度近似為0.0097nm/m-1，錯(cuò)位誘導(dǎo)的不可逆轉(zhuǎn)的光纖結(jié)構(gòu)改變，可以在高溫下生存，使錯(cuò)位型長(zhǎng)周期光纖光柵可以用于高溫環(huán)境的傳感測(cè)量。通過(guò)選擇合適的光纖定向，錯(cuò)位型長(zhǎng)

6、周期光纖光柵可以被用于彎曲不敏感的高溫傳感器。
　　4.利用過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵諧振峰對(duì)應(yīng)變及溫度的準(zhǔn)線性響應(yīng)，提出了基于單個(gè)諧振峰中心波長(zhǎng)及峰值測(cè)量的應(yīng)變與溫度雙參量傳感器。由于過(guò)熔結(jié)構(gòu)引起光纖半徑的變化，過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵在0-2.7mε應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度高達(dá)1.75nm/mε，是電弧放電法、CO2激光輻射法寫制的長(zhǎng)周期光纖光柵靈敏度的3-6倍，在應(yīng)變傳感測(cè)量上有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)應(yīng)變與溫度的雙參量測(cè)量，可以用解決應(yīng)變與溫

7、度的交叉敏感問題，對(duì)過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵的推廣應(yīng)用有實(shí)際意義。
　　5.利用過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵較寬光譜與超短尺寸，提出了一種精巧的高靈敏全光纖微位移傳感器。過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵較短的尺寸可以保證器件具有緊湊的結(jié)構(gòu);較寬的光譜則有利于干涉條紋的形成。本文提出一種基于過(guò)熔型長(zhǎng)周期光纖光柵和光纖探頭結(jié)構(gòu)的全光纖高靈敏度微位移傳感器，測(cè)得的最高波長(zhǎng)漂移靈敏度為934pm/μm，是長(zhǎng)周期光纖光柵與空氣腔結(jié)合結(jié)構(gòu)的4倍;最高幅值變化靈敏度近