基于长周期光纤光栅的环境传感特性研究

发布时间：2020-08-18 08:45

【摘要】：光纤光栅按周期长短可分为长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅,长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG)具有体积较小、附加损耗低、波长选择性好、成本低等一系列优点,在环境传感领域具有广泛的应用。本文通过采用高频CO_2激光脉冲将普通单模光纤光栅,以及拉制出的直径为11μm的细芯微纳光纤写制成周期为600μm的长周期光纤光栅。研究了长周期光纤光栅对外界环境的变化,例如:温度、折射率、以及污染物浓度等的传感特性。主要研究内容及结果如下:(1)研究了光纤光栅透射谱谐振波长与环境温度的变化关系。当采用普通单模光纤进行温度传感时,其谐振峰中心波长随温度升高向长波方向移动,且其温度灵敏度为0.038 nm/℃。采用微纳光纤制备的光栅其谐振峰中心波长随温度升高呈现一个相反的趋势,即温度升高其中心波长往短波方向移动,且具有更高的温度灵敏度,其平均值可达0.140 nm/℃。(2)进行了长周期微纳光纤光栅对液体的折射率传感测试。实验结果显示其谐振峰中心波长和折射率成线性变化,折射率越大中心波长也越大。长周期微纳光纤光栅的折射率灵敏度为512 nm/RIU。(3)利用提拉法将溶胶-凝胶膜层包覆在长周期微纳光纤光栅表面制备成传感单元。该微纳光纤光栅的谐振峰中心波长随环境分子态污染物浓度的变化呈二次项变化规律,其平均灵敏度约为8.78 nm/(g/m~3)。本论文利用CO_2激光脉冲法制备了长周期光纤光栅,其中微纳光纤光栅较普通光纤光栅具有更高的环境温度传感灵敏度。微纳光纤光栅在液体折射率、及环境污染物浓度测量传感方面,也有相当的灵敏度、稳定性。本论文为拓展微纳光纤光栅在传感器方面的应用提供了一定的参考价值。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN253
【图文】：

长周期光纤光栅,法制,紫外

波器中具有巨大实用价值，主要体现在对多个信道的同时补偿。周期光纤光栅的制备技术FG 的制作方法多种多样，除了采用紫外光写入法、腐蚀刻槽法还激光脉冲法、机械压力法等等。以上各种方法都有各自的优缺点，也不相同，使用者可根据自己想要达到的目标而自主选择写入方法单介绍各种写制方法。写入法光写入法[22]主要用到 Krf 激光器、宽带光源、光谱分析仪、偏振模板等设备。将增敏后的单模光纤于振幅掩膜板照射，使其单模光性调制，如图 1-1 所示。应用该方法写入的光纤光栅对光源的相制作工艺较为成熟、光谱特性也比较稳定。但是采用该方法写入的下几个缺点：1）由于制作过程需要引入掩模板，导致其写制过灵活性较其他方法差，且制作成本较高不适合大规模使用；3）该期光纤光栅耐高温性能差，需要在制作完成后进行退火处理。

激光写入,光纤光栅

第一章绪论于可以同时调节峰值损耗和谐振波长，可作为一种新型的激光写入法O2写入法[23]是一种简单高效的写入方法，其写入原理和紫的区别，紫外光写入法的基本原理是通过光纤中各种不同而导致光纤折射率的发生明显的变化。图 1-2 为采用高频长周期光纤光栅。然而使用 CO2激光刻写法主要是利用光[23]。使用 CO2激光脉冲扫描光纤时，由于 CO2激光脉冲的的残余应力得到释放，从而使得作用区域折射率发生改变光栅的过程中，不需要采用特殊光纤（一般是指光敏光纤的元素离子，只需要对普通的单模光纤进行预处理即可刻用 CO2高频脉冲激光写入的长周期光纤光栅具有制作灵活优点，是当前制作光栅的一种普遍的方式[23,24]。

形貌,形貌,光纤,拉锥

其主要表现在微纳光纤的直径大小不均匀，且光纤表面致生长出的微纳光纤存在巨大损耗,另外该方法制备微纳光纤的一般不建议采用该种方法制备微纳光纤。然而制备微纳光纤还有自上而下法制备微纳光纤，自上而下法制备微纳光纤有两种不同用刻蚀法，即可采用浓度较低 HF 酸进行刻蚀，但是这种方法制性极差，操作度也大，而且氢氟酸对人体伤害也大，因此该方而下法的第二个途径就是通过光纤拉锥法来制备了，本文所制均是采用光纤拉锥法制备出来的。采用光纤拉锥法去拉制微纳模光纤剥制干净，用酒精清洗光纤表面，待光纤熔融后采用电 2003 年，童利民[31]等人就在 Nature 上发表了拉制 50 nm 直径，m 的硅纳米线[31]。经过科研人员的不断努力，现在制备微纳光纤，主要包括蓝宝石光纤辅助的两步拉伸方法[32,33]、以及火焰扫描方型的火焰扫描法[37]和直接拉制法[38-41]这四种方案。图 1-3 所示是貌[42]，从该图可以看出微纳光纤的直径非常均匀，并且其耐弯行光纤耦合。

【参考文献】