长周期光纤光栅的传感特性及在测量中的研究

摘要

光纤光栅在光通信、光传感以及光信息处理等领域是最为重要的光无源器件之一。在传感领域，长周期光纤光栅(LPFG)传感器是近几年发展最为迅速的光器件。由于长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，在传感测量系统中无需使用隔离器;同时长周期光纤光栅的周期较布拉格光纤光栅(FBG)长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和各阶次的包层模之间的耦合，导致其谐振波长和幅值对外界环境的变化十分灵敏。正是由于这些特性，长周期光纤光栅具有比布拉格光纤光栅更高的温度、弯曲、应力和折射率灵敏度。同时它具有动态测量范围宽、不受电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小、易于实现复用等特点，因此已被广泛应用于工农业中实时在线传感测量。长周期光纤光栅的工作机理决定了它的性能以及应用领域。
　　本论文围绕长周期光纤光栅的工作机理及传感特性进行论述，主要有:
　　1.较详细地介绍了光纤光栅的发展历程、分类及传感器的发展趋势。
　　2.介绍了长周期光纤光栅的写入方法和在传感、通信领域的应用。
　　3.通过对长周期光纤光栅的特性进行分析可知:一，随着光纤光栅折射率调制增大，其谐振波长向长波长方向漂移。二，随着谐振波长向长波长方向移动，纤芯有效折射率减小;纤芯半径增大则纤芯有效折射率随之增大。三，当包层半径较小时，较高阶次的包层模有效折射率随半径的增大而增大，较低阶次的包层模则无明显变化;而纤芯半径的变化对包层模有效折射率基本无影响。四，谐振波长向长波长方向漂移，纤芯的自耦合系数减小;影响纤芯包层互耦合系数的因素相对较复杂。
　　4.详细研究了长周期光纤光栅的温度、轴向应变和折射率传感特性。在此基础上，提出了一种双周期LPFG高灵敏度温度和应变同时测量的方案，并根据折射率和温度传感特性提出了两种利用单个LPFG同时测量温度和折射率的方案，并对上述方案进行了详细的理论分析和数值模拟，证明了在理论上的可行性。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 光纤光栅概述

1．2 光纤光栅的分类

1．3 光纤光栅传感器和其发展趋势

1．4 光纤光栅的传感原理

1．5 本文主要内容和创新点

第2章 LPFG的制作方法和应用

2．1 LPFG的写入方法

2．2 LPFG在光通信以及光传感中的应用

2．2．1 在光通信中的应用

2．2．2 在传感中的应用

2．3 本章小结

第3章 LPFG理论分析和数值仿真

3．1 耦合模理论

3．2 传输矩阵法

3．3 LPFG纤芯基模有效折射率的计算

3．3．1 纤芯基模本征方程

3．3．2 纤芯有效折射率的计算以及影响因素

3．4 LPFG包层模有效折射率的计算

3．4．1 包层模特征方程

3．4．2 包层模有效折射率的计算以及影响因素

3．5 光纤光栅耦合系数的计算

3．5．1 自耦合系数的计算

3．5．2 互耦合系数的计算

3．6 物理参数与传输谱的关系

3．7 本章小结

第4章 LPFG传感特性和应用

4．1 温度传感特性

4．2 轴向应变传感特性

4．3 外界折射率传感特性

4．3．1 谐振波长与折射率的关系

4．3．2 包层半径与折射率的关系

4．4 本章小结

第5章 LPFG传感器双参数测量的实现

5．1 双周期LPFG传感器温度和应变同时测量的设计

5．2 单个LPFG双参数同时测量的设计

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间的科研成果

攻读研究生期间参与项目情况

致谢

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