长周期光纤光栅的特性及传感应用研究

论文摘要

长周期光纤光栅是一种周期在数百微米的光纤光栅，由于插入损耗低、背向散射小、制作简单以及成本低等优点，在光纤传感和光纤通讯领域有良好的应用前景。本文提出了采用CO2激光脉冲制作长周期光纤光栅的新制作方法，并对该方法制作的长周期光纤光栅的光谱特性和传感特性进行研究。论文内容主要包括以下几个方面： 1、本文建立了光纤三层模型，从矢量亥姆霍兹方程出发，根据电磁场的边界连续条件，得到了隐式的包层模特征方程，然后采用快速搜索和逐步逼近的方法对包层模的有效折射率进行高分辨率的快速求解。文中同时对长周期光纤光栅的光谱特性进行分析和数值模拟，为长周期光纤光栅的制作和传感研究提供理论参考。 2、本文首次提出了利用三束聚焦的高频CO2激光脉冲角向对称写入系统制作长周期光纤光栅的方法，具有写入系统结构简单、易于控制、调节等优点，能够制作出插入损耗小，带宽窄的长周期光纤光栅，同时能消除CO2激光单侧写入方法引起的折射率改变不均匀的问题，保证长周期光纤光栅具有相对一致的弯曲特性，减小了长周期光纤光栅的偏振相关损耗。本方法已获得国家发明专利。 3、本文采用Corning SMF-28光纤，通过对称写入方法制作出纤芯导模与低阶包层模之间产生能量耦合的长周期光纤光栅，并对光栅的温度、轴向应变、弯曲以及环境折射率等特性进行理论分析和实验研究。从长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅的高温实验对比可以看出，长周期光纤光栅具有较高的温度灵敏度和高温稳定性，适合于高温环境下的温度传感。对长周期光纤光栅轴向应变的测量结果表明，其轴向应变灵敏度与布拉格光纤光栅的相近或者低一个量级左右，远小于长周期光纤光栅的温度灵敏度。对长周期光纤光栅弯曲特性的测量结果表明，采用单面写入技术制作的长周期光纤光栅存在对应变最为灵敏两个方向和最为不灵敏的两个方向，而采用本文对称写入技术制作的长周期光纤光栅则具有相对一致的弯曲特性。对长周期光纤光栅环境折射率敏感特性的实验结果表明，长周期光纤光栅可以实现折射率／浓度的实时测量，并且灵敏度高，而通过腐蚀包层半径的方法可以进一步环境折射率的敏感性。 4、本文制作了温度可调谐长周期光纤光栅带阻滤波器，基于该滤波器的线性边带提出了布拉格光纤光栅动态应变测量系统。由于温度可调谐长周期光纤光栅带阻滤波器的线性范围宽、动态范围可调，因此能够自动适应布拉格光纤光栅应变传感器所在环境温度的变化，使布拉格光纤光栅传感器的反射波长的初始位置始终位于滤波器线性边带

论文目录

• 独创性说明
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤传感器的发展
• 1.2 长周期光纤光栅传感器的发展与研究现状
• 1.2.1 长周期光纤光栅制备方法
• 1.2.2 长周期光纤光栅理论方面
• 1.2.3 长周期光纤光栅在光纤传感领域的应用
• 1.2.4 长周期光纤光栅在通讯领域的应用
• 1.3 布拉格光纤光栅传感器
• 1.4 光纤法布里-珀罗传感器
• 1.5 本论文的研究背景和主要研究内容
• 1.6 本论文的结构
• 2 长周期光纤光栅的理论分析与模拟
• 2.1 三层阶跃折射率光纤模式理论基础
• 2.2 长周期光纤光栅的耦合模理论
• 2.3 长周期光纤光栅的模式与耦合常数
• 2.4 长周期光纤光栅的模拟与分析
• 2.4.1 长周期光纤光栅导模和包层模有效折射率的计算
• 2.4.2 长周期光纤光栅光谱特性的模拟研究
• 2.5 本章小结
• 3 长周期光纤光栅的制作技术
• 3.1 几种常用的长周期光纤光栅写入方法简介
• 3.1.1 逐点写入技术
• 3.1.2 振幅掩模法
• 3.1.3 微透镜阵列技术
• 3.1.4 物理变形法
• 2激光脉冲烧写长周期光纤光栅原理及其制作'>3.2 高频CO₂激光脉冲烧写长周期光纤光栅原理及其制作
• 2激光脉冲烧写长周期光纤光栅的机理及单面烧写的缺陷'>3.2.1 CO₂激光脉冲烧写长周期光纤光栅的机理及单面烧写的缺陷
• 2激光脉冲制作技术'>3.2.2 三束聚焦CO₂激光脉冲制作技术
• 2激光脉冲制作的长周期光纤光栅的光谱特性'>3.2.3 三束聚焦CO₂激光脉冲制作的长周期光纤光栅的光谱特性
• 3.3 长周期光纤光栅的偏振相关损耗特性
• 3.4 本章小结
• 4 长周期光纤光栅的传感应用
• 4.1 长周期光纤光栅的温度特性
• 4.1.1 长周期光纤光栅的温度特性分析
• 2激光脉冲烧写的长周期光纤光栅的温度特性'>4.1.2 CO₂激光脉冲烧写的长周期光纤光栅的温度特性
• 4.1.3 长周期光纤光栅和FBG温度特性对比
• 4.2 长周期光纤光栅应变特性
• 4.2.1 长周期光纤光栅应变测量原理
• 4.2.2 长周期光纤光栅的应变实验和讨论
• 4.3 长周期光纤光栅的弯曲特性
• 4.4 长周期光纤光栅的环境折射率敏感特性
• 4.4.1 长周期光纤光栅折射率敏感特性的数值分析
• 4.4.2 长周期光纤光栅的环境折射率敏感特性实验
• 4.5 本章小结
• 5 长周期光纤光栅可调谐滤波器及在布拉格光纤光栅解调中的应用
• 5.1 温度可调谐的长周期光纤光栅带阻滤波器
• 5.2 布拉格光纤光栅动态应变解调技术
• 5.3 基于可调谐的长周期光纤光栅滤波器的布拉格光纤光栅动态应变解调系统
• 5.4 用长周期光纤光栅作强度解调的布拉格光纤光栅振动传感器
• 5.5 本章小结
• 6 长周期光纤光栅和光纤EFPI传感器串联复用和解调方法研究
• 6.1 光纤法布里-珀罗腔传感器的解调方法
• 6.1.1 峰—峰法
• 6.1.2 傅立叶变换解调方法
• 6.1.3 离散腔长变换（DGT）算法
• 6.1.4 互相关解调算法
• 6.2 基于最小均方误差估计的光纤EFPI传感器腔长解调算法
• 6.2.1 算法的基本原理
• 6.2.2 算法性能的测试
• 6.3 长周期光纤光栅和光纤EFPI传感器串联复用系统
• 6.3.1 光纤EFPI传感器和长周期光纤光栅的串联复用原理
• 6.3.2 光纤EFPI传感器和长周期光纤光栅的串联复用实验结果
• 6.4 结论
• 7 总结
• 7.1 主要研究内容和结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 2激光控制器'>附录A Gem-60L CO₂激光控制器
• 附录B SLED高稳定光源的研制
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 攻读博士学位期间获得的奖励
• 主要科研成果
• 发明专利证书
• 发明专利受理申请书
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书