基于结构扰动的长周期光纤光栅的制备及特性研究

发布时间：2020-07-19 14:45

【摘要】：长周期光纤光栅(Long-period fiber grating,LPFG)是当前应用较为广泛的传感器件。本论文提出了两种基于结构扰动的LPFG复合结构。一种是与LPFG级联的复合结构,由于熔融扭转与熔锥型扭转等微结构具有波分特性,从纤芯中进入的能量在受到微结构扰动时,会有一部分能量进入到光栅的包层中,从而破坏了原模式间的相速度的简并特性。其中微结构与LPFG构成马赫泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI),通过调节微结构与LPFG的间距来获得便于测量的透射谱,并以此为基准对熔融扭转、熔锥型扭转等微结构级联LPFG型传感器的传感特性进行测量。另一种是局部熔融包、扭转、锥等微结构LPFG的复合结构,由熔融光纤包、扭转以及锥等微结构的制备可知,他们会导致纤芯形变,打破了不同模式之间相速度的简并特性。接下来对上述两种方法制备出的LPFG复合结构的传感器进行制备并测试温度、应变以及弯曲等传感特性,取得了良好的实验结果及实际应用价值。首先,对于常用于分析光纤光栅的耦合模理论、传输矩阵方法以及基于光纤复合结构的马赫泽德干涉理论、相移LPFG原理进行简单的分析与总结,并归纳出LPFG在研究过程中的理论途径,并且在耦合模理论的基础之上,对于LPFG的部分传感特性理论进行简单的讨论,包括马赫泽德干涉原理以及LPFG相移原理。并根据上述理论提出了两种基于结构扰动的LPFG复合结构。其次,针对于LPFG级联结构进行了相关实验,得到制备出的熔融扭转级联LPFG复合结构具备扭转的方向相关性,顺时针扭曲结构时,透射谱中两个谐振峰的波长均向长波方向移动,灵敏度分别为0.058 nm/(rad?m~(-1))和0.117 nm/(rad?m~(-1));逆时针扭曲结构时,两个谐振峰的波长向短波方向移动,灵敏度分别为0.055 nm/(rad?m~(-1))和0.262 nm/(rad?m~(-1))。将所测得的扭转和温度灵敏度代入到温度、扭转同时测量的矩阵中得到:得到顺时针扭转时,扭转和温度的分辨率分别为0.04 rad/m和0.49°C;逆时针扭转时,扭转和温度的分辨率分别为0.01 rad/m和0.43°C,验证了提出的结构在温度与扭转分辨率上表现良好。在不同温度情况下,两个谐振峰顺时针扭转波长平均灵敏度标准差分别为0.0027nm/(rad?m~(-1))和0.0049nm/(rad?m~(-1));两个谐振峰逆时针扭转的波长平均灵敏度标准差分别为0.0013nm/(rad?m~(-1))和0.0222nm/(rad?m~(-1))。此外,对于另一种级联LPFG结构:熔锥型扭转级联LPFG结构,分别测试了其温度和应变特性,发现该结构的双峰的温度灵敏度较为相似;而在施加应变时,两个谐振峰的波长灵敏度和他们的幅值灵敏度差别较大,故可证得该结构可以进行双参数测量。最后,提出了三种基于相移原理的局部微结构的LPFG复合结构,所用到的局部微结构分别为熔融包、扭转和锥。并对三种复合结构的温度、弯曲和应变特性进行相应的测量。由实验结果可知,三种结构均可以对原LPFG的包层扰动,使透射谱分裂为双峰。且这三种结构的温度特性较为相似,透射谱中的双峰均随着温度的增大向长波方向发生漂移,且线性度较好。说明局部微结构并未对LPFG的温度特性产生较大的干扰。但这三种结构的弯曲和应变特性中,一个峰则与未引入微结构前的LPFG特性有较大提高,说明局部应用微结构对曲向和拉伸度产生影响。由于弯曲和应变特性差别较大,但温度灵敏度差距较小,可对这三种结构进行多参数测量。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212
【图文】：

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