組合式光纖光柵傳感原理及實驗研究.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，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、參量感測等器件的設(shè)計

2、和研制，并成為近年來光纖器件研究的熱點。
　　本文對組合式光纖光柵進行分類并分析了各類型組合式光纖光柵的特點。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制出典型的新型組合式光纖光柵，進行了光譜特性探測、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)等參量的傳感測量。實驗確定出各傳感元件的關(guān)鍵參數(shù)，制作了多個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。由于兩個光柵對彎曲和溫度的響應(yīng)不同，因此通過建立參數(shù)矩陣可實現(xiàn)彎曲和溫度的同時測量。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)計及研制。
　　2.設(shè)計并研制出一種基于FBG錯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行錯位熔接，錯位量大約為3.5μm。形成的錯位組合式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峰，波長分別為1549.74nm和1549.97nm。根據(jù)兩個反射峰對應(yīng)變和溫度的不同響應(yīng)，可實現(xiàn)應(yīng)變與溫度的同時測量。實驗得出，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)計并研制出一種基于兩個不同類型LPFG級聯(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，對其燒蝕

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

7、沖寫制的LPFG級聯(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)力的大小可實現(xiàn)兩個光柵的干涉。其次，采用濕腐蝕法制作非對稱雙錐光纖干涉儀。研究表明：通過對這兩種干涉儀施加軸向應(yīng)力，可加強或減弱模式的耦合強度?；谠撛淼母缮鎯x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)計及研制。
　　5.設(shè)計并研制出一種基于單模LPFG與少模LPFG級聯(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