新型光纤光栅传感器飞秒激光制备及其特性研究

发布时间：2017-11-05 19:07

  本文关键词：新型光纤光栅传感器飞秒激光制备及其特性研究

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【摘要】：通过激光加工等手段使光纤纤芯的折射率在轴向发生周期性的改变,这样形成的结构叫做光纤光栅。光纤光栅作为一种新型无源光学器件,可制备成各种传感器件,广泛应用于苛刻环境传感、建筑构造、化学检测、生物医疗等领域。光纤光栅有很多种类,其中最主要包括有光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)和长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)。其中FBG与LPFG的主要区别在于周期的不同,FBG的周期比较小,一般小于一微米,而LPFG的周期比较大,一般为几十到几百微米。FBG中的光波能量传输的模式是正向传输的纤芯模与反向传输的纤芯模相耦合,在光谱中可以观察反射凸起和透射凹下的布拉格谐振峰,在传感领域中经常用于对温度,应变等物理量的测量。而在LPFG中则是正向传输的纤芯模耦合到同向传输的包层模,光波在外界环境中发生能量的损耗,在光谱中可以看到一系列损耗型透射谐振峰。相对于FBG,LPFG不仅能测量温度和应变,还对外界折射率非常敏感,因此是一种很常用的折射率传感器。目前制备FBG和LPFG的方法主要有紫外(UV)激光技术制备和飞秒激光微纳精细加工技术制备。利用紫外激光制备光纤光栅技术已经非常成熟,能制备出性能和光谱良好的FBG和LPFG,但是紫外激光技术制备方法存在一些弊端。制备光纤光栅前不但要对光纤进行增加光敏处理,而且这样制备出来的光纤光栅温度稳定性很差,在高于400℃的环境下光栅结构很容易被擦除。因此利用UV激光技术制备的FBG和LPFG不能正常应用于高温环境中。飞秒激光有着超短脉冲宽度和高功率峰值(最高可达1023W/cm2),广泛应用于透明介质材料的三维精细加工。近年来,利用飞秒激光制备FBG与LPG技术飞速发展,相比UV激光技术,优点在于制备光栅前并不需要对光纤进行额外的光敏处理,可以直接对光纤纤芯的折射率进行局域化调制,从而形成光纤光栅结构。而且所制备的光纤光栅温度稳定性极好,可以在高温苛刻的环境下正常使用。鉴于此,本论文提出两种利用飞秒激光直写技术制备的新型光栅结构,即FBG与LPFG并联集成结构和微孔布拉格光栅,并且对这两种结构的制备过程,工作原理和传感特性和应用进行了深入的研究。本论文的主要内容如下:1.研究利用飞秒激光刻写光纤光栅的机理以及FBG与LPFG的基本原理。透明材料如二氧化硅能对入射的飞秒激光产生强烈非线性的吸收。为了产生光学击穿和对材料造成损伤,必须通过非线性吸收使电子从价带跃迁到导带,从而在材料中沉积足够多的激光能量,而在此非线性吸收中存在两种非线性激发机制:光致电离和雪崩电离。如果非线性吸收使材料沉积足够多的能量就会对材料产生缺陷与损伤,从而可以对材料进行永久的折射率调制,若该调制是周期性则就形成光栅结构。接着也对FBG和LPFG做了简单的理论分析,掌握了FBG和LPFG的基本原理。2.利用飞秒激光加工技术制备出FBG与LPFG并联的新型集成传感器。制备FBG方法是飞秒激光逐点写入法,而制备LPFG则是采用激光扫描直写法。FBG是刻写在光纤纤芯中央,周期为1.07μm,长度为2.4 mm,其布拉格谐振峰波长位置为1550nm,属于二阶布拉格谐振峰。LPFG则刻写在并联FBG偏心1.8μm的位置,周期为60μm,长度也为2.4 mm。接着对此集成传感器进行温度和折射率的测试,其中FBG的温度灵敏度为12.98 pm/℃,LPFG则为10.93pm/℃,而FBG的折射率灵敏度大约为0 nm/RIU,LPFG中1555 nm附近的损耗峰的折射率灵敏度为196.46 nm/RIU。由于FBG与LPFG对温度的灵敏度和折射率的灵敏度都不一样,则可以根据双参数传感的矩阵来进行温度和折射率同时传感。3.提出了一种基于微通道的新型光纤布拉格光栅结构。采用飞秒激光扫描直写技术对光纤进行折射率改性与HF溶液选择性腐蚀的方法,得到微通道FBG。制备步骤:第一是利用飞秒激光在经过光纤纤芯的横截面垂直于光纤方向进行直线的折射率调制,形成周期性折射率调制区域,此时在反射谱中可以观察到反射率不是很高的FBG谐振峰。第二步就是把飞秒激光作用过的光纤置于4%的HF溶液中进行腐蚀。在HF溶液中被飞秒激光作用过的地方的腐蚀速度远远大于其他地方。随着腐蚀进行,反射谱会逐渐变化,因此可以通过控制腐蚀时间和观察反射谱来控制微通道FBG的制备。最后对制备好的微通道FBG进行了折射率测试,发现对折射率有很高的灵敏度。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：1145463