薄包层长周期光纤光栅传感器

论文摘要

导师饶云江教授于2000年发明了用高频CO2激光脉冲在光纤单侧加热写入长周期光纤光栅的方法。数年来,课题组对其制作方法、成栅过程、基本特性以及实际应用等诸多方面进行了系统深入的研究,现已渐成体系。本文先用HF溶液腐蚀掉部分包层,然后在这种薄包层的光纤上写入长周期光纤光栅。该光栅既有小直径光栅对外界折射率敏感的优点,又加强了高频CO2激光脉冲写入LPFG后光栅折射率分布不均的特点,本文对其部分特性进行了实验研究,取得了一些创新性研究成果。主要工作和成果如下:1、首次报道了在薄包层光纤上用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅（LPFG）,并分析了该类薄包层LPFG横截面折射率的分布。结合LPFG的腐蚀实验,通过传输谱图的比较发现:先腐蚀光纤包层后写入光栅的方法较先写入光栅后腐蚀包层的方法更能有效地调整谐振波长。分别利用这两种薄包层的长周期光纤光栅做折射率传感实验,进一步验证了减小包层直径可以显著提高LPFG的折射率敏感特性。2、首次对薄包层的光纤上用高频CO2激光脉冲写入长周期光纤光栅的基础特性（温度,应变,扭曲,弯曲）进行了系统实验研究和分析,经过比较,发现其温度、应变、扭曲和弯曲特性与未腐蚀时及先写入光栅后腐蚀时相应特性规律基本一致.谐振波长随温度线性漂移,灵敏度为0.1 n m·℃-1,损耗峰幅值对温度不敏感。应变灵敏度变小,谐振波长对应变的灵敏度为-0.14nm/mε,损耗峰幅值对应变的灵敏度为0.18dB/mε。扭曲特性具有明显的扭曲方向相关性,即顺时针扭曲时谐振波长线性‘红’移;逆时针扭曲时谐振波长线性‘蓝’移,谐振波长随扭曲变化的灵敏度的绝对值均约为0.04nm/(rad·m-1),谐振波长和损耗峰幅值的弯曲特性具有较强的弯曲方向相关性。3、长周期光纤光栅应用于化学传感时,只有外部环境折射率小于且接近于光纤包层的折射率时才有较高的灵敏度,这就在很大程度上限制了其在化学检测方面的应用,同时不具有化学敏感特定性。本文首次利用LB技术将碳纳米管薄膜镀于普通长周期光纤光栅、腐蚀后的长周期光纤光栅以及薄包层长周期光纤光栅上,观测到光谱有微弱的‘蓝’移,可望将此结构用于高灵敏度的气体测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 LPFG 的发展概况
• 1.2 LPFG 的写入方法
• 1.3 LPFG 的形成机理
• 1.4 LPFG 在传感方面的应用
• 1.5 LPFG 包层直径的相关研究进展及本课题的意义
• 2激光脉冲写入薄包层长周期光纤光栅'>第二章 高频CO₂激光脉冲写入薄包层长周期光纤光栅
• 2.1 薄包层长周期光纤光栅的理论分析
• 2.1.1 LPFG 的理论
• 2.1.2 包层直径对LPFG 的影响
• 2 激光脉冲写入LPFG 的方法'>2.2 高频CO₂ 激光脉冲写入LPFG 的方法
• 2 激光脉冲写入LPFG 方法简介'>2.2.1 高频CO₂ 激光脉冲写入LPFG 方法简介
• 2 激光脉冲写入法与其它写入法的区别'>2.2.2 高频CO₂激光脉冲写入法与其它写入法的区别
• 2.3 两种薄包层长周期光纤光栅的制备方法
• 2.3.1 先写入LPFG 后腐蚀光纤包层的方法
• 2.3.2 先腐蚀光纤后再在薄包层光纤上写入LPFG 的方法
• 2.3.3 结果分析
• 2.4 薄包层长周期光纤光栅折射率传感实验
• 2.4.1 先写入LPFG 后腐蚀光纤的折射率实验
• 2.4.2 先腐蚀光纤后再在薄包层光纤上写入LPFG 的实验
• 2.5 小结
• 第三章 薄包层长周期光纤光栅的基本传感特性
• 3.1 薄包层长周期光纤光栅的温度特性
• 3.1.1 薄包层长周期光纤光栅的温度特性实验及结果
• 3.1.2 温度特性理论分析
• 3.2 薄包层长周期光纤光栅的应变特性
• 3.2.1 薄包层长周期光纤光栅的应变特性实验及结果
• 3.2.2 应变特性理论分析
• 3.3 薄包层长周期光纤光栅的扭曲特性
• 3.3.1 薄包层长周期光纤光栅的扭曲特性实验及结果
• 3.3.2 扭曲特性理论分析
• 3.4 薄包层长周期光纤光栅的弯曲特性
• 3.4.1 薄包层长周期光纤光栅弯曲特性实验及结果
• 3.4.2 弯曲特性理论分析
• 3.5 小结
• 第四章 薄包层长周期光纤光栅LB 碳纳米管薄膜传感器
• 4.1 长周期光纤光栅薄膜传感器理论模型
• 4.2 LB 技术与碳纳米管
• 4.2.1 LB 技术简介
• 4.2.2 碳纳米管简介
• 4.3 薄包层长周期光纤光栅LB 技术镀碳纳米管膜
• 4.3.1 镀膜准备
• 4.3.2 镀膜过程
• 4.3.3 镀膜结果
• 4.4 小结
• 第五章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果