螺旋芯长周期光纤光栅传感器的制作和应用研究

发布时间：2020-11-01 02:11

　　 光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小和重量轻等优势,各种结构的光纤光栅制成的传感器成为近年来研究热点。针对当前光纤传感器的发展趋势,为了实现高灵敏度的测量,本论文围绕螺旋芯长周期光纤光栅(H-LPG)展开,分别从理论仿真、制作技术、传感应用和交叉敏感问题解决方案这四个方面对其进行系统性研究。本论文首先研究了长周期光纤光栅(LPG)的基本理论,采用两种介质模型仿真了纤芯模有效折射率、包层模有效折射率和周期与波长的关系,利用耦合模理论对透射光谱进行了分析。然后,基于普通长周期光纤光栅常用的三种制作方法,本文提出了一种螺旋芯长周期光纤光栅的制作方法,设计搭建了一套制作平台,成功制作出性能稳定的螺旋芯长周期光纤光栅,并对样品的光谱特性进行了测试分析。其次,对样品分别进行了温度和扭转传感实验,从理论上讨论了其传感特性,验证了谐振波长与温度和扭转参量都具有良好的线性关系,结果表明,螺旋芯长周期光纤光栅在传感领域具有潜在的应用价值。最后,为了解决极具挑战性的温度和扭转参量交叉敏感问题,设计并制作了旋向互逆螺旋芯长周期光纤光栅,其透射谱是具有两个损耗峰的W形光谱,而且两个损耗峰在扭转参量作用下漂移方向相反。基于该结构的螺旋芯长周期光纤光栅,提出了两种交叉敏感问题的解决方案,分别是双波长法和双光强法。本文的研究表明,所制作的螺旋芯长周期光纤光栅可以实现高灵敏度测量,对光纤传感领域的研究和发展提供了有意义的参考。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN253;TP212
【部分图文】：

Ａ是谐振波长。??所以从总的效果来看，布拉格光纤光栅对特定波长的光具有反射作用，而对其它波??长的光则没有影响，其反射光谱如图１．２所示。通常反射光的带宽较窄，一般小于ｌｎｍ，??也有达到几纳米的。??！?＇ｃＰ?１??〇．９〇?｛?丨??ｒ???０．７５???ｔ??１?ｒ????ｉ?ｉ?ｉ??＞－．?ｉ?ｉ?ｉ??ｃ?０．６０?４?１?？－???．Ｃ?ｉ?ｉ?ｉ??〇?Ｉ?Ｉ?ｌ??Ｉ?０．４５?！?；?卜???０．３０?７?ｊ?ｉ?ｉ?＇??，……－卜共……卜……．??０．００１??１＿一???１５４８?１５４９?１５５０?１５５１?１５５２??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．２布拉格光纤光栅反射谱??由于它具有反射光谱窄、反射率高和性能稳定等一系列优点，所以被普遍地运用于??光纤传感器、光纤波分复用和光纤激光器中［２３，２４］。??（２）长周期光纤光栅??长周期光纤光栅的周期比前者大得多，虽然只有周期长短这一构造上的区别，但导??致的模式耦合己经截然不同。它并不是纤芯模之间的相互耦合，而是当满足谐振条件时，??可以把前向传递的纤芯模耦合至同向传递的包层模中去，如图１．３所示。??图１．３前向传递的纤芯模耦合至同向传递的包层模??但是包层模并不能传递得很远，因为包层与环境之间的界面具有不规则性，所以很??快便会被衰减掉。??４??

０．７５???ｔ??１?ｒ????ｉ?ｉ?ｉ??＞－．?ｉ?ｉ?ｉ??ｃ?０．６０?４?１?？－???．Ｃ?ｉ?ｉ?ｉ??〇?Ｉ?Ｉ?ｌ??Ｉ?０．４５?！?；?卜???０．３０?７?ｊ?ｉ?ｉ?＇??，……－卜共……卜……．??０．００１??１＿一???１５４８?１５４９?１５５０?１５５１?１５５２??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．２布拉格光纤光栅反射谱??具有反射光谱窄、反射率高和性能稳定等一系列优点，所以被普光纤波分复用和光纤激光器中［２３，２４］。??纤光栅??纤光栅的周期比前者大得多，虽然只有周期长短这一构造上的合己经截然不同。它并不是纤芯模之间的相互耦合，而是当满足谐传递的纤芯模耦合至同向传递的包层模中去，如图１．３所示。??

ｄ是光纤周期，２ｄ为设计波长。因此从整体效果来看，长周期光纤光栅能够??衰减掉一些符合谐振条件的光，在透射光谱中形成损耗峰。而对于其他不符合谐振条件??的光，则在光纤中正常传播，不会被影响，其透射谱如图１．４所示。??５?！?！?！?Ｉ?！??｜?ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??｜?１?Ｉ?Ｉ?Ｉ??〇?ｊ?ｙＨ??＼????ｔｉｌｌ??？?－５－……！－……；——＾——卜－－……－－－■??ｗ?！?＿?丨?丨?Ｉ??Ｃ?ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??〇?＿１〇?；－?；－－－ｆ－ｊ＇?卜?；???ｉ?ｉ?丨?ｉ?ｉ??￡?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??｜?－ｉｓ……；－——；——■！——卜——：???ｔ?１１１１１??－２０?Ｊ－?；?－；?［？?；???ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?｜ｉ??－２５＇?１?１?１?１?１???１３００?１４００?１５００?１６００?１７００?１８００?１９００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．４长周期光纤光栅的透射光谱??这两种光纤光栅除了在反射与透射方面有区别外，还有一个重要的不同之处在于：??布拉格光纤光栅在周期确定的情况下，只能对其中某一个特定波长的光有反射作用，对??其他波长的光作用很小，而且其反射光的带宽通常很窄。而长周期光纤光栅在周期确定??的条件下，并不只对其中某一个波长的光有作用，而是对所有符合条件的光都有作用，??所以它的损耗峰往往有数个。而且每个损耗峰值之间的距离也比较大，有的甚至在几十??纳米以上
【参考文献】

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本文编号：2864870