飛秒寫制長周期光纖光柵的光譜特征及傳感應用.pdf

1、長周期光纖光柵(LPFG)作為一種重要的新型光纖光柵濾波器件，憑借其獨特優(yōu)勢，如插入損耗小、阻帶寬、后向反射低、傳感靈敏度高，抗腐蝕、體積小等，在光纖通訊、光纖傳感等領域得到了廣泛應用和發(fā)展。不同的光柵制作方法影響著光柵的性能，從而制約著其應用。如傳統(tǒng)紫外曝光法利用光纖的光敏性誘導折變，刻寫的LPFG溫度穩(wěn)定性低;CO2激光脈沖誘導光纖折變的機理主要是熱效應引起的殘余應力釋放，刻寫的LPFG具有較大的插入損耗，在刻寫超長周期光纖光柵時容

2、易導致光纖變形。
　　 近年來，飛秒激光技術成為光纖光柵制作方法上的重大突破。飛秒激光誘導折變?yōu)槎喙庾游者^程，不但對刻寫光纖的光敏性沒有要求，而且刻寫的光柵具有高的溫度穩(wěn)定性、窄的線寬和大的折射率調制等特性，在高溫傳感和光纖激光器等方面具有潛在的應用價值。與傳統(tǒng)紫外曝光法等相比，飛秒激光技術在制備光纖光柵等光纖傳感器方面具有突出的技術優(yōu)勢和應用價值。其中，飛秒激光逐點法因其簡單靈活性已成為制備LPFG的主要研究方法。
　

3、　 本文在深入研究飛秒激光脈沖制備新型光纖傳感器技術的基礎上，對飛秒激光脈沖逐點法寫制LPFG技術、及用該方法寫制的LPFG的光譜特征和傳感特性進行了研究，具體工作內容包括以下幾個方面:
　　 1.介紹了本課題的研究背景和意義;介紹了飛秒激光微加工技術;闡述了飛秒激光制備光纖光柵的方法;總結了飛秒激光逐點法刻寫長周期光纖光柵的國內外研究現(xiàn)狀和水平;總結了利用飛秒激光直寫技術制備新型光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯难芯楷F(xiàn)狀;歸納了飛秒激光制作的

4、光纖傳感器的傳感特性。
　　 2.討論了飛秒激光與透明固體電介質相互作用的機理，包括光致電離、雪崩電離、等離子體形成和自聚焦效應?？偨Y了解釋飛秒激光誘導介質折射率發(fā)生改變的現(xiàn)有機理模型，包括熱模型、色心模型、結構改變模型和微爆模型。
　　 3.建立了光纖光柵的非均勻折射率調制和溫度分布模型，理論仿真了不同曝光時間下的光譜變化，并實驗研究了低脈沖能量下飛秒激光對光纖光柵的作用，與理論分析吻合良好。實驗采用聚焦的紅外飛秒激光

5、對傳統(tǒng)紫外曝光法刻寫的TypeⅠ型光纖布拉格光柵(FBG)分別進行了單點和掃描式曝光，研究發(fā)現(xiàn)，激光單點照射柵區(qū)任意位置時，照射過程中的光譜有較大紅移，且光譜結構不再是單透射峰而是不規(guī)則的多透射峰;然而照射結束后的布拉格波長藍移且光柵透射率增加，隨著曝光時間的增加該變化逐漸趨于飽和。雖然激光脈沖能量低，但是聚焦光斑的高斯能量分布導致被照射光柵的曝光區(qū)處在一個非均勻溫度場中。把聚焦的激光脈沖看作一系列熱源，分析了熱源擴散過程對光柵折射率的

6、影響，給出了激光脈沖單點照射光柵過程中的非均勻溫度分布模型及照射結束后折射率的調制輪廓模型，理論仿真了不同曝光時間后和曝光過程中的光譜變化，與實驗結果非常吻合。研究結果表明在低能量情況下，焦點的熱場是引起光柵折射率改變的主要因素。
　　 4.設計了基于水平、垂直雙CCD對準的飛秒激光長周期光纖光柵逐點寫制系統(tǒng)，提高了激光與光纖對準的準確度和效率，在未作增敏處理的單模光纖內刻寫了后向反射損耗低、強度大、線寬窄且光譜平滑的長周期光纖

7、光柵。詳細說明了該刻寫系統(tǒng)的設計原理和光刻過程。介紹了刻寫系統(tǒng)搭建和元器件選擇上的一些要點和難點問題。實驗研究了光柵刻寫過程中的光柵周期、光柵長度、激光脈沖能量等刻寫參數(shù)對光柵形成和光譜的影響。
　　 5.在對飛秒激光誘導光纖折變輪廓綜合分析的基礎上，理論研究了長周期光纖光柵光譜中的低幅值諧振峰現(xiàn)象，并給出了飛秒激光寫制LPFG的光譜分析方法。首先從三層光纖模型出發(fā)，以耦合模方程為基礎，對余弦折射率調制LPFG的光譜特性進行了理

8、論分析，數(shù)值仿真分析了光柵長度（即光柵周期數(shù)）、折射率調制深度對光柵光譜的影響。其次針對飛秒激光誘導折射率改變的橫截面輪廓和軸向矩形分布，分橫向折變在纖芯均勻、橫向折變非均勻、橫向折變輪廓中心偏離光纖中心三種情況，對飛秒激光脈沖逐點法刻寫的LPFG的光譜特征及分析方法，進行了總結分析。
　　 6.對飛秒寫制LPFG的溫度和折射率傳感特性及應用進行了實驗研究。在對LPFG的波長和損耗峰幅度的溫度靈敏度進行理論分析之后，對飛秒激光寫

9、制LPFG的溫度特性進行了實驗研究。分別對未發(fā)生過耦合光柵和過耦合光柵的光譜隨溫度的變化進行了分析;與高頻CO2激光脈沖和傳統(tǒng)紫外曝光法制作的LPFG的溫度特性進行了對比;并對飛秒寫制LPFG的高溫傳感特性進行了實驗研究。理論分析了LPFG的折射率靈敏度影響因素，搭建實驗裝置，對飛秒激光刻寫的LPFG進行了氯化鈉和蔗糖濃度測量，實驗結果表明飛秒寫制LPFG用于溶液濃度的傳感測量是可行的，且響應快。最后給出了提高其折射率靈敏度的三種方法。