长周期光纤光栅级联及光纤级联传感特性研究

摘要

本文利用高频CO2激光脉冲写栅技术，在单模和保偏光纤上写制两个或三个不同周期的光纤光栅，建立了不同周期光纤光栅级联的理论模型，并进行了数值模拟和实验研究。研究结果表明，不同周期的光纤光栅级联，可有效引起纤芯与包层模式之间的耦合，并形成可用于高灵敏度、多参量感测的损耗峰。采用电弧放电方法，将单模、多模及保偏光纤熔接，实现了不同光纤级联的新型调制方式，并将其应用于温度、应变传感以及调谐滤波。论文主要工作和研究成果如下:
　　1.基于耦合模理论并结合传输矩阵法，从CO2激光脉冲对光纤包层折射率的调制机理出发，详细分析了不同周期光纤光栅级联结构的模式耦合机理，推导出不同周期光纤光栅级联的透射率数学关系式并对该表达式进行分析计算。所做工作为设计并研制新型光纤光栅级联传感器奠定理论基础。
　　2.利用高频CO2激光脉冲写栅技术，采用旋转逐次曝光法，在单模光纤上互成120°角并以相同参数写制长周期光纤光栅(LPG)级联。实验结果表明，采用旋转逐次曝光法写制的不同双周期及三周期LPG级联，均出现低损耗传输现象，即包层模能量重新耦合回纤芯模。该研究成果为分析高频CO2激光脉冲成栅机理提供了一种新方法。
　　3.设计并在保偏光纤上写制出不同周期LPG级联结构，实现了扭曲传感和高灵敏度温度传感。研究结果表明:(1)沿顺时针方向扭曲LPG级联结构，损耗峰幅度减小且谐振波长红移;沿逆时针方向扭曲LPG级联结构，损耗峰幅度增大且谐振波长蓝移。根据损耗峰幅度和谐振波长的变化，可实现扭曲方向和大小的同时感测;(2)与单模光纤上写制LPG级联结构相比，设计的LPG级联结构具有更高的温度灵敏度。
　　4.基于保偏光纤双折射和光栅相消机理，设计并写制出一种倾斜式、等周期的保偏LPG级联结构。理论分析和实验结果表明，该级联结构实现了折射率不敏感的温度测量。该方案有效地解决了折射率与温度传感的交叉敏感性问题，特别适合工农业生产中液体的温度测量。
　　5.提出单模LPG和保偏LPG级联结构，率先将该级联结构与Sagnac干涉仪相结合，实现了温度和应变双参量传感测量。理论和实验结果表明，该装置的温度灵敏度达-1.26nm/℃，应变灵敏度为27pm/με。这种基于不同光纤的新型级联结构，为设计和研制双参量、高灵敏度级联式光纤光栅传感器提供了新的实现方式。
　　6.提出一种新型的单模-多模-保偏光纤(SMP)级联结构，将该结构内置于Sagnac干涉环中，研制出一种可调谐梳状滤波器。实验结果表明，该滤波器光谱条纹随温度升高向短波方向线性漂移;调谐方向由SMP结构、偏振控制器位置以及半波片的旋转方向所决定。进一步优化上述参数，可设计并研制出基于SMP的新型级联式可调谐滤波器。
　　7.采用电弧放电技术，将单模光纤与保偏光纤进行过熔级联，将该结构置于Sagnac干涉环中，实现了高灵敏度应变传感。实验结果表明，该传感装置的应变灵敏度达32pm/με，温度灵敏度为1nm/℃。进一步优化熔接参数，可研制出基于不同光纤的新型级联结构，从而有效调控光纤级联结构中的模式耦合，实现高灵敏度的多参量传感测量。