拉锥光纤干涉仪的飞秒激光制备技术及传感应用

发布时间：2020-07-14 16:21

【摘要】：近年来,光纤传感技术(FST)得到了日新月异的发展,不同类型的光纤传感器被广泛应用到生活生产中。对光纤传感器而言,器件灵敏度是一个重要的评价指标,拉锥光纤由于其光场被释放易受外界变量调制,因此容易得到较高的灵敏度。此外,还有另外一个重要的评价指标,就是其稳定性和可靠性,干涉型光纤传感器作为一种波长解调型器件,具有稳定性、可靠性高的优点,同时该类传感器又分为透射型和反射型两类,而且各有优缺点。在传感器加工技术方面,伴随着飞秒激光器的商业化,飞秒激光微加工(FLM)技术优势凸显,成为当下光纤传感器加工领域的研究热点。综上所述,本学位论文主要研究方向为在拉锥光纤中使用FLM技术制备干涉型光纤传感器,包括透射式的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和透反射兼备的基于布拉格光纤光栅对的法布里-珀罗干涉仪(FPI),具体地:第一章为绪论部分,文章简单概括了光纤的发展历程及制备方法以及FST的发展应用;并介绍了拉锥光纤传感器的制备方法;然后综述了两种光纤干涉仪的制备方法;最后概括了本论文的创新点。第二章中主要介绍了飞秒激光的相关理论和技术。通过理论公式、仿真研究等介绍了一些关键的飞秒激光技术。然后通过文献综述了目前研究人员对飞秒激光与物质相互作用的机理。最后,介绍了本论文中使用的一套飞秒激光微加工系统,及其在光纤加工中的应用。第三章中,首先介绍了MZI的干涉原理,并通过公式和仿真研究了MZI的传感特性;然后介绍了使用商业熔接机电弧放电制备拉锥光纤的方法;最后,实验制备了一种新型结构的光纤马赫-曾德尔干涉仪,并将其用于酒精浓度传感实验,测得了器件光谱随酒精浓度变化的光谱。再通过实验数据分析了其传感应用特性,分析中发现在某一浓度范围内,光谱变化具有良好的线性关系,通过线性拟合得到其在这一范围内的灵敏度达到28nm/vol,与现有文献中报导的灵敏度相比有一定的提高。此外该器件不仅可应用于酒精浓度传感,还可以用于其他溶液的浓度测试,因此通过实验测得了不同浓度酒精的折射率,然后将器件的灵敏度转换为折射率在1.345~1.365范围的灵敏度。第四章中,介绍了关于FBG的理论研究,并通过公式和仿真研究了FBG的传感特性;实验中使用飞秒激光微加工系统研究了逐点法和逐线法FBG刻写技术;实验中利用逐线法制备了一种基于光纤布拉格光栅的FPI,其本质是一种PS-FBG,并将其应用于轴向应变传感,测得其最高轴向应变响应灵敏度达到普通PS-FBG的4.5倍。最后通过Solid Works对拉锥光纤建模分析了当轴向应变施加于拉锥光纤上时的应力分布情况,并使用几何建模提出使用等效柱体研究该传感器的灵敏度与最小锥区半径之间的关系,最后得到了两者之间的数学表达式,通过计算发现该模型与实验结果符合。文章最后对本论文进行了总结并对本研究领域做了一些展望。从全文来看,本论文的创新点包括:1)提出了一种新型结构、制备方法简单、高灵敏度的酒精浓度传感器,与已报道同类型器件最高灵敏度相比,该传感器的灵敏度提高了近50%;2)通过实验研究,研究了飞秒激光逐点法和逐线法刻写FBG工艺,并成功在单模光纤上刻写了集成光栅和倾斜光栅,并在保偏光纤上刻写了FBG;3)通过飞秒激光逐线法制备了一种基于光纤光栅对和拉锥光纤的FPI的轴向应变传感器,数据分析表明实验制得的传感器最高灵敏度是未拉锥器件的4.6倍,通过理论仿真和建模分析了该传感器的灵敏度与光纤尺寸的关系,并提出了进一步提高灵敏度的方法。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TN249
【图文】：

熔接机,拉锥,熔接,花生米

图 3-4 部分 M-Z 光纤传感器显微图片，(a)错位熔接[68]；(b)CO2激光热熔[46]；(c)飞秒激光烧蚀[47]；(d)熔接机熔接得到花生米结构[48]；(e)内置空腔拉锥[49]；(f)熔接机拉锥结构[42]；要指出的是，上述方法是比较常规的一些加工方法，还有其他一些特殊的制备光纤 M-Z 传感器的方法，这里不再列举。总的来说，所有的加工方法都是在光纤上造成结构改变，使得原本沿纤芯轴向传输的光分成两束存在光程差的光。(2) 光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪制备方法光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪是在两段 FBG 中间引入一段相移区域，也就相当于是一种相移光纤布拉格光栅(PS-FBG)。自 1990 年第一个 PS-FBG 被成功制备以来，许多学者利用了上述的不同制备方法都成功制备了 PS-FBG。如使用相位掩膜刻写时，可以通过遮挡的方式在一个普通 FBG 中间形成一个无调制区域[50, 51]，但很显然这样的方法灵活性不够高，FBG 的性质被掩膜版的规格所限制；还有学者使用二次全息曝光的方法和飞秒激光重叠方法形成摩尔条纹调制区域得到相移[52]，但这类方法操作比较复杂，对光束质量和光路要求较高；

锁模激光,激光输出,锁模,噪声

振动模式的频率为ω ，那么可以用下式表示任意一个单纵模光场：cos[ (2-3)因此可以得到锁模激光器的输出光场为： cos[ (2-4)通过三角函数变换和简单运算可以得到：cossinsin[(2-5)A t Esinsin[(2-6)如图 2-1 所示，是借助 MATLAB 软件仿真的自由运转激光输出和锁模激光输出的对比。

示意图,像差,示意图,能量提取效率

中产生的飞秒激光脉冲具有脉宽小、重复频率高、单果此脉冲经过放大器放大后将获得足以破坏器件的啾脉冲放大系统(CPA)的飞秒激光器的能量提取效率0%，为了得到高的能量提取效率，需要提高种子光的，提高能流密度的同时保证光路系统中器件不受损伤进行展宽，通常要将其展宽到百皮秒量级[56]。系统多种多样，基本上可分为三类，包括传统的 4统和无像差展宽系统。由于系统像差会带来高阶色球面镜和透镜会引入球差和色差，因此无像差展宽器2 所示为欧符纳展宽系统示意图，图中包括一个光栅1和一个凸面镜 M2。其中 M2的曲率半径是 M1的一栅 G1位于 M1的球心处，光栅 G2放置在 M1的焦点的功能。

【参考文献】