CO2激光刻寫細芯長周期光纖光柵的制備技術(shù)與傳感特性研究.pdf

1、長周期光纖光柵(Long-Period Fiber Grating,LPFG)以其獨特的透射式帶阻特性及背向反射小、帶寬大、插損小、對外界參量變化敏感和易于集成等優(yōu)點，在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域中得到了深入的研究與發(fā)展。近年來，基于 CO2激光寫入法制備特種長周期光纖光柵逐漸成為熱點。CO2激光寫入法具有制備過程簡單、參數(shù)調(diào)整靈活、可控性強、效率高及成本低等優(yōu)點，結(jié)合不同的特種光纖所具有的特性，使得所制備的特種長周期光纖光柵在具有傳統(tǒng)的

2、長周期光纖光柵優(yōu)點的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出不同的特質(zhì)，顯示出其在光纖相關(guān)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。本文在 CO2激光寫入法的基礎(chǔ)上，引入細芯光纖(Thin Core Fiber,TCF)并寫入長周期光纖光柵與超長周期光纖光柵(Utral-Long Period Fiber Grating,ULPFG)，對相關(guān)理論、制備工藝及傳感特性進行了實驗研究與探討，并取得創(chuàng)新性科研成果。主要內(nèi)容包括：
　　(1)從殘余應(yīng)力釋放、玻璃致密性變化、摻雜劑擴散及物

3、理形變等四個方面詳細的介紹了基于CO2激光刻寫長周期光纖光柵的機理。在CO2激光刻寫光纖導(dǎo)致其折射率變化的過程中，除了光纖本身的材質(zhì)需要考慮外，提供能量的CO2激光功率、作用時間、作用面積以及外加拉力也與之密切相關(guān)。介紹了長周期光纖光柵的模式耦合理論及其傳輸矩陣，并對模式耦合方程、耦合系數(shù)等進行推導(dǎo)。對長周期光纖光柵的光譜特性進行了定性分析。最后，分析了超長周期光纖光柵的成柵原理并給出對應(yīng)的諧振方程表達式。
　　(2)搭建了基于C

4、O2激光器的長周期光纖光柵制備平臺，完成了CO2激光器選型、光路相關(guān)光學(xué)元件及夾具的設(shè)計加工與安裝及整個光路的安裝與調(diào)試等工作。從光路的角度出發(fā)，詳細的介紹了 CO2激光從出射到整形再到軟件控制其逐點掃描制備長周期光纖光柵的整個過程，并對各個參數(shù)進行了解釋說明。從 CO2激光功率、掃描循環(huán)次數(shù)及外加拉力等三個方面分析了各個制備工藝參數(shù)對長周期光纖光柵性能的影響，總結(jié)規(guī)律，優(yōu)化參數(shù)，制作出性能優(yōu)良的細芯長周期光纖光柵(Thin Core

5、Long Period Fiber Grating,TC-LPFG)與細芯超長周期光纖光柵(Thin Core Utral-Long Period Fiber Grating,TC-ULPFG)。
　　(3)開展了基于細芯長周期光纖光柵的傳感特性研究，完成了對曲率的傳感實驗，并利用等效纖芯受力的方法，分析了利用 CO2激光對細芯光纖單側(cè)進行掃描所制備的長周期光纖光柵具有彎曲方向可判別的特性。設(shè)計了基于細芯長周期光纖光柵與在線馬赫增

6、德爾干涉儀的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用干涉譜與細芯長周期光纖光柵的透射譜相疊加而產(chǎn)生的不同損耗峰實現(xiàn)多參量測量的方案。通過強度解調(diào)的方式，測得的曲率靈敏度為28.82dB/m-1；通過波長解調(diào)的方式，測得的溫度靈敏度為67.2pm/℃。該級聯(lián)結(jié)構(gòu)不僅能進行多參量的同時測量，還能有效的避免交叉靈敏度的產(chǎn)生。
　　(4)開展了基于細芯超長周期光纖光柵的傳感特性研究，對細芯超長周期光纖光柵的光譜進行了分析，完成了對曲率及溫度的傳感實驗。細芯超長周期