级联LPFG光谱特性及传感特性的研究

发布时间：2020-07-11 08:31

【摘要】：长周期光纤光栅(LPFG)作为一种透射型的光纤无源器件,它的谐振波长和损耗峰幅值对外界环境的变化非常敏感。在光纤传感方面,与布拉格光纤光栅(FBG)相比,对于应变、温度及环境折射率等参量的变化有着更高的灵敏度,同时具备抗电磁干扰能力强、尺寸小、质量轻、耐高温、耐腐蚀、高灵敏度、高分辨力、高稳定性等优点,这就使得它在光纤传感及通信领域得到很好的发展与应用,如海洋船舶、大型结构体、航空航天、核工石化、电力等等。本论文主要依据耦合模理论并结合传输矩阵法对单个LPFG和级联LPFG的光谱特性进行了分析,同时进行了仿真。最后,对单个和级联LPFG的轴向应变传感特性做了实验研究,实验结果表明,其透射谱的损耗峰幅值随轴向应变的改变呈现良好的线性变化,并得到较高的轴向应变灵敏度,级联LPFG内嵌于Sagnac环时要比直接级联LPFG灵敏度相对高一些,两者的灵敏度为单个LPFG的7～8倍。本论文的主要研究内容如下:1、利用耦合模理论推导出LPFG的耦合模方程,对LPFG的耦合率(t=、t×)、耦合深度(|κ|L)、有效折射率(neff)、传播常数(β)、谐振波长(λres)以及带宽(△λ)等进行了 Matlab仿真分析。仿真结果表明:在0|κ|L≤π范围内,随着平均有效折射率调制(δneff)的增大,自耦合率t逐渐减小,直到δneff=3.875×10-5时达到最小值为零,紧接着又逐渐增大,直到δneff=7.75×10-5时达到最大值为1,而交叉耦合率t×的变化与t=的变化刚好相反。在欠耦合情况下,随着光栅长度的增加,透射谱的△λ变窄,透射率变小;满耦合情况下,随着光栅长度的增加,透射谱的△λ变窄,透射率变小;过耦合情况下,随着光栅长度的增加,透射谱的△λ变窄,透射率变大。随着包层模次数的增加,一阶v次的包层有效折射率neff逐渐减小;随着波长的增大,纤芯模有效折射率neffco近似线性地减小;纤芯基模和包层模的β与波长有着良好的线性关系。随着δneff的增加,光栅的λres近似线性地红移,Aλ逐渐变窄,且δneff越大,△λ变窄的趋向就越快。此外,利用传输矩阵法对LPFG透射谱中的光栅长度(L)、周期(A)、δneff、直流自耦合系数(σ)和交流交叉耦合系数(κ)等参量对透射谱的影响进行了仿真分析。仿真结果表明:随着L的增大,光栅透射谱的△λ逐渐减小,损耗峰逐渐加深。随着光栅Λ的增大,谐振峰发生红移,Aλ逐渐变宽。随着δneff的增加,λres发生红移,LPFG的△λ逐渐减小,损耗峰逐渐加深,边带变得逐渐明显。随着波长的增加,σ几乎不发生变化(即为常数),随着σ的增加,对应波长的透射率逐渐增大。随着κ的增加,透射谱的△λ逐渐变宽。2、依据耦合模理论和M-Z干涉仪原理对级联LPFG的耦合与干涉机理进行分析,同时分析了 D和△neff对S的影响,最后用传输矩阵法对透射谱进行仿真分析。仿真结果表明:级联LPFG透射谱相邻两干涉峰的间距与光栅的有效折射率差△neff和中心间距D都成反比关系,最佳的级联结构要求两个光栅的透射率为3dB,耦合深度为|λ|L= π/4。3、对单个LPFG、级联两个LPFG以及将级联LPFG内嵌于Sagnac环的轴向应变传感特性进行了实验研究。实验结果表明:随着轴向应变的增加,单个LPFG的损耗峰幅值逐渐变大,灵敏度为-1.284×10-2dB·με-1;级联两个LPFG时透射谱的损耗峰幅值逐渐变大,灵敏度高达-9.174×10-2dB·με-1;级联LPFG内嵌于Sagnac环的损耗峰幅值逐渐增大,灵敏度高达-10.118×10-2dB-με-1。三者都有着很好的方向可重复性,且级联LPFG的灵敏度为单个LPFG的7～8倍。
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253
【图文】：

光纤光栅,结构示意图,长周期光纤光栅,相位掩模法

图 1-1 光纤光栅结构示意图长周期光纤光栅的发展概况及应用1996 年 V Bhatia 等[8]采用相位掩模法首次制成了长周期光纤光栅（LPFG）；1997 年

激光法

CO2激光法制备LPFG

飞秒激光,法制,刻槽法,环槽

图 1-3 飞秒激光法制备 LPFG制备法CY Lin 等[30, 31]率先报道了用腐蚀刻槽法在光纤上制备 LPFG。这纤包层，从而形成环槽来，经过拉伸来制备 LPFG。

【参考文献】