光纖光柵折射率傳感技術(shù)研究.pdf

1、光纖光柵傳感器具有體積小、靈敏度高、不受電磁干擾、適應(yīng)惡劣環(huán)境、便于波分復(fù)用、易于構(gòu)成多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度傳感。此外，光纖光柵，尤其是長周期光纖光柵(LPG)還對(duì)外界折射率的變化很敏感。由于折射率傳感在生化應(yīng)用方面的重要性，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、石油化工等方面，所以基于折射率傳感的光纖光柵生化探測(cè)技術(shù)正處于不斷深入的研究之中。 在光纖光柵生化傳感中，靈敏度以及溫度交叉敏感

2、是其中存在的兩個(gè)主要問題。本文以提高折射率傳感的靈敏度和解決折射率傳感中的溫度交叉敏感問題為目標(biāo)，分別用光纖布拉格光柵(FBG)、長周期光纖光柵(LPG)、以及LPG構(gòu)成的M-Z干涉儀實(shí)現(xiàn)了折射率的傳感，主要完成了以下方面的研究工作并取得了若干創(chuàng)新性的成果： 首先用耦合模理論和傳輸矩陣法分析了FBG和LPG的光學(xué)特性，然后介紹了光纖的光敏性，歸納比較了光纖光柵的各種制作技術(shù)。在課題期間，合作研制了光纖高壓載氫系統(tǒng)，并參與搭建了一

3、套光纖光柵制作系統(tǒng)，為整個(gè)研究工作提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 研究了FBG折射率傳感技術(shù)。理論分析了光纖包層直徑減小時(shí)Bragg波長的變化，以及不同包層直徑下光纖的導(dǎo)模有效折射率隨外界折射率變化的關(guān)系；設(shè)計(jì)了FBG的腐蝕和測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，制定了FBG的腐蝕工藝，對(duì)不同腐蝕程度的FBG進(jìn)行了折射率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明腐蝕程度深的FBG對(duì)外界折射率具有更高的靈敏度。 LPG的耦合特性決定了它本身對(duì)外界折射率敏感，通過包層腐蝕的方

4、法可進(jìn)一步提高傳感靈敏度。理論分析了光纖包層直徑減小對(duì)LPG的共振波長以及外界折射率測(cè)量靈敏度的影響，并對(duì)兩組LPG分別進(jìn)行了不同程度的腐蝕和折射率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明腐蝕后的LPG對(duì)外界折射率的靈敏度得到了提高，并且首次得出如下結(jié)論：隨著腐蝕程度加深，在某波長附近耦合的包層模的階數(shù)雖然減小了，但是利用此包層模對(duì)外界折射率傳感的靈敏度仍然得到了提高。 兩個(gè)～3dB透射率的LPG構(gòu)成了LPG馬赫-澤德干涉儀，這種特殊的耦合機(jī)制使得

5、它對(duì)外界折射率敏感，而且相比單個(gè)LPG具有更精細(xì)的干涉條紋，可以提高波長檢測(cè)的分辨率。我們?cè)贚PG馬赫-澤德干涉儀的基礎(chǔ)上，提出了它對(duì)外界折射率傳感的靈敏度提高的兩種方案：1)包層腐蝕的LPG馬赫-澤德干涉儀：包層直徑的減小使得包層模式的光波場(chǎng)有更多的部分分布在外圍介質(zhì)中，從而能提高對(duì)外界折射率的靈敏度，理論分析并實(shí)驗(yàn)觀察了包層腐蝕時(shí)的光譜演變過程，實(shí)驗(yàn)比較了不同腐蝕程度的LPG馬赫-澤德干涉儀對(duì)外界折射率測(cè)量的靈敏度，結(jié)果表明雖然隨著

6、腐蝕程度的增大，在1550nm附近的干涉峰對(duì)應(yīng)耦合的包層模階數(shù)減小，但是用該干涉峰作為對(duì)外界折射率傳感的靈敏度仍然得到了很大的提高。2)雙錐LPG馬赫-澤德干涉儀：在構(gòu)成LPG馬赫-澤德干涉儀的兩個(gè)LPG中間，通過拉錐處理引入一段雙錐光纖，使得包層模在外圍介質(zhì)中的倏逝波增強(qiáng)，從而提高對(duì)外界折射率傳感的靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖錐可以很有效地提高靈敏度，而且靈敏度大小可以通過控制拉錐程度來定制，其中雙錐LPG馬赫-澤德干涉儀(錐區(qū)長16mm

7、，錐腰直徑為38.75μm)的靈敏度是未拉錐的LPG馬赫-澤德干涉儀的5倍。 最后，針對(duì)光纖光柵折射率傳感中的溫度交叉敏感問題，提出了一種夾層結(jié)構(gòu)的長周期光纖光柵方案。所謂夾層結(jié)構(gòu)，是指由三個(gè)LPG組成，兩個(gè)～3dB的LPG構(gòu)成LPG型M-Z干涉儀，利用低階包層模的耦合作為溫度參考單元，而在中間夾有一個(gè)利用高階包層模耦合的LPG作為外界折射率測(cè)量單元。利用LPG的不同階數(shù)包層模對(duì)外界折射率變化響應(yīng)的靈敏度不同，而對(duì)溫度變化的靈敏