CO2激光刻寫(xiě)細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的制備技術(shù)與傳感特性研究.pdf

1、長(zhǎng)周期光纖光柵(Long-Period Fiber Grating,LPFG)以其獨(dú)特的透射式帶阻特性及背向反射小、帶寬大、插損小、對(duì)外界參量變化敏感和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域中得到了深入的研究與發(fā)展。近年來(lái)，基于 CO2激光寫(xiě)入法制備特種長(zhǎng)周期光纖光柵逐漸成為熱點(diǎn)。CO2激光寫(xiě)入法具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整靈活、可控性強(qiáng)、效率高及成本低等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合不同的特種光纖所具有的特性，使得所制備的特種長(zhǎng)周期光纖光柵在具有傳統(tǒng)的

2、長(zhǎng)周期光纖光柵優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出不同的特質(zhì)，顯示出其在光纖相關(guān)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。本文在 CO2激光寫(xiě)入法的基礎(chǔ)上，引入細(xì)芯光纖(Thin Core Fiber,TCF)并寫(xiě)入長(zhǎng)周期光纖光柵與超長(zhǎng)周期光纖光柵(Utral-Long Period Fiber Grating,ULPFG)，對(duì)相關(guān)理論、制備工藝及傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與探討，并取得創(chuàng)新性科研成果。主要內(nèi)容包括：
　　(1)從殘余應(yīng)力釋放、玻璃致密性變化、摻雜劑擴(kuò)散及物

3、理形變等四個(gè)方面詳細(xì)的介紹了基于CO2激光刻寫(xiě)長(zhǎng)周期光纖光柵的機(jī)理。在CO2激光刻寫(xiě)光纖導(dǎo)致其折射率變化的過(guò)程中，除了光纖本身的材質(zhì)需要考慮外，提供能量的CO2激光功率、作用時(shí)間、作用面積以及外加拉力也與之密切相關(guān)。介紹了長(zhǎng)周期光纖光柵的模式耦合理論及其傳輸矩陣，并對(duì)模式耦合方程、耦合系數(shù)等進(jìn)行推導(dǎo)。對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜特性進(jìn)行了定性分析。最后，分析了超長(zhǎng)周期光纖光柵的成柵原理并給出對(duì)應(yīng)的諧振方程表達(dá)式。
　　(2)搭建了基于C

4、O2激光器的長(zhǎng)周期光纖光柵制備平臺(tái)，完成了CO2激光器選型、光路相關(guān)光學(xué)元件及夾具的設(shè)計(jì)加工與安裝及整個(gè)光路的安裝與調(diào)試等工作。從光路的角度出發(fā)，詳細(xì)的介紹了 CO2激光從出射到整形再到軟件控制其逐點(diǎn)掃描制備長(zhǎng)周期光纖光柵的整個(gè)過(guò)程，并對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了解釋說(shuō)明。從 CO2激光功率、掃描循環(huán)次數(shù)及外加拉力等三個(gè)方面分析了各個(gè)制備工藝參數(shù)對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵性能的影響，總結(jié)規(guī)律，優(yōu)化參數(shù)，制作出性能優(yōu)良的細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵(Thin Core

5、Long Period Fiber Grating,TC-LPFG)與細(xì)芯超長(zhǎng)周期光纖光柵(Thin Core Utral-Long Period Fiber Grating,TC-ULPFG)。
　　(3)開(kāi)展了基于細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的傳感特性研究，完成了對(duì)曲率的傳感實(shí)驗(yàn)，并利用等效纖芯受力的方法，分析了利用 CO2激光對(duì)細(xì)芯光纖單側(cè)進(jìn)行掃描所制備的長(zhǎng)周期光纖光柵具有彎曲方向可判別的特性。設(shè)計(jì)了基于細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵與在線馬赫增

6、德?tīng)柛缮鎯x的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用干涉譜與細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜相疊加而產(chǎn)生的不同損耗峰實(shí)現(xiàn)多參量測(cè)量的方案。通過(guò)強(qiáng)度解調(diào)的方式，測(cè)得的曲率靈敏度為28.82dB/m-1；通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)的方式，測(cè)得的溫度靈敏度為67.2pm/℃。該級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)不僅能進(jìn)行多參量的同時(shí)測(cè)量，還能有效的避免交叉靈敏度的產(chǎn)生。
　　(4)開(kāi)展了基于細(xì)芯超長(zhǎng)周期光纖光柵的傳感特性研究，對(duì)細(xì)芯超長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜進(jìn)行了分析，完成了對(duì)曲率及溫度的傳感實(shí)驗(yàn)。細(xì)芯超長(zhǎng)周期