中空熔嵌芯光纤布拉格光栅及其传感应用研究

摘要

光纤传感器以其体积小、质量轻、抗电磁干扰、传输损耗小、造价低、易于复用成网以及可埋入性等优点，被广泛应用于土木工程、航空航天、能源勘测、生物医学等领域。布拉格光纤光栅(FBG)作为应用范围最广、使用频率最高的光纤传感器，受到了许多研究者的青睐。本文在研究熔嵌芯光纤光栅制作及传感特性的基础上，提出了一种可识别一维弯曲方向，并且可以消除温度、应力交叉传感的弯曲传感器。主要工作如下：
　　介绍利用248nm准分子激光器和相位掩模法在中空熔嵌单芯和双芯光纤中制备光栅的方法，并严格控制曝光方向，通过对不同写入方向下得到的光栅特性参数进行分析，研究不同写入方向对光栅特性参数的影响，得知：纤芯越靠近曝光方向，受到的折射率调制越强，得到的光栅中心波长越大。
　　对中空熔嵌单芯光纤光栅进行了温度、轴向应力、外部及内部折射率特性的测量。实验结果显示，中空熔嵌单芯光纤光栅对于折射率的变化不敏感，并且温度灵敏度(5.2pm/°С)与应力灵敏度(0.6pm/με)略低于标准单模光纤光栅。为了提升光栅的传感特性，课题成功的在熔嵌芯光纤中写入了倾斜光栅，并测量了其温度、应力特性。
　　对于双芯熔嵌芯光纤，课题选用两纤芯连线与曝光方向垂直的一个光栅样本，分别对其两个纤芯中的光栅进行了温度、轴向应力的测试。实验数据表明，两个纤芯中的光栅的温度、应力特性相同，并与单芯熔嵌芯光纤光栅一致。另外，课题对光栅样本在不同弯曲方向的弯曲特性进行了研究，结果表明双芯熔嵌芯光纤光栅具有良好的弯曲方向辨别能力，能够对不同弯曲方向做出不同的反应。此外，通过两个光栅中心波长的作差处理，双芯熔嵌芯光纤光栅能在免疫环境温度和应力影响的同时，对弯曲灵敏度进行提升，作差处理后得到的最大弯曲灵敏度为-50.2pm/m-1。
　　双芯熔嵌芯光纤的两个纤芯相距较远，并且有空气孔隔在中间，能够最大程度的避免纤芯间的信号发生串扰，在增大光纤中信号容量、形成双通道的滤波器上都会有显著的优势。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 光纤光栅发展概况

1.3 特种光纤的研究现状

1.4 特种光纤光栅的研究现状

1.5 本课题的主要内容

第2章 布拉格光纤光栅基本理论

2.1 布拉格光纤光栅的分类

2.2 布拉格光纤光栅的理论

2.3 布拉格光栅的传感原理

2.4 本章小结

第3章 中空熔嵌单芯光纤光栅的制备技术研究

3.1 中空熔嵌单芯光纤与单模光纤的耦合

3.2 中空熔嵌单芯光栅的制备

3.3 中空熔嵌单芯光栅的传感特性

3.4 倾斜光栅制备

3.5 本章小结

第4章 中空熔嵌双芯光纤光栅的制备技术研究

4.1 中空熔嵌双芯光纤光栅的制备

4.2 中空熔嵌双芯光纤光栅的传感特性

4.3 中空熔嵌双芯光纤光栅的偏振特性

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢