非平面栅格长周期光纤光栅的研制及传感应用

摘要

光纤光栅是一类结构丰富、性能优秀的无源光纤器件，广泛应用于弯曲、扭转、温度、折射率等光纤传感领域。由于光纤直径尺寸及加工条件的限制，传统光纤光栅的栅格结构基本属于平面，从而限制了光纤光栅的结构设计。与传统的平面栅格相比，非平面栅格具备更高的折射率调制能力及更丰富的设计空间，基于非平面栅格可设计出结构紧凑、性能优异的新型光纤光栅。因此，从理论和实验上进一步研究非平面栅格的调制效果及传感特性，对光纤光栅的设计、制备均具有重要的科学意义及应用价值。本文基于非平面栅格结构，设计并制备了几种新型的非平面长周期光纤光栅器件，测定并分析了相应器件的透射光谱及弯曲、扭转、温度、折射率传感特性。论文的主要工作及取得的创新性研究成果如下： 1.基于抽象的空间几何模型及数学群论，分析了光纤结构的几何对称性，系统地总结了多种具备不同对称性及传感特性的光纤及调制结构，并分析了光纤调制结构的对称性与传感特性的关系。根据对称性原理，若结构中含有垂直于弯曲方向的C2旋转轴或镜面，相应的光纤器件将对相反的弯曲方向表现出相同的波长响应；若结构中含有镜面，相应的光纤器件将对相反的扭转方向表现出相同的波长响应。 2.基于传统的倾斜平面栅格模型，利用几何分析及光程条件，建立了非平面结构栅格模型。以最早报道的弧形栅格为例，半定量地分析了非平面栅格的折射率调制效果，并根据栅格在弯曲下的形变模拟了其调制量变化，阐明该结构具有弯曲方向辨识能力，计算结果与文献报道测量数据相符。 3.在光纤上设计并研制出V形、弓形及倾斜弧形的微米级非平面微结构，突破了传统光纤光栅平面结构的限制，为新型光纤传感器的研制提供了新的设计思路和实现途径。基于结构对称性分析，V形、弓形栅格均能够区分一对与其开口方向相同及相反的弯曲方向，而倾斜弧形栅格能够区分相反的扭转方向。 4.利用CO2激光扫描技术在单模光纤上写制出基于V形、弓形及倾斜弧形微结构的非平面长周期光纤光栅，实验分析了其弯曲、扭转传感特性，测量结果与理论预期。研究表明：V形、弓形长周期光纤光栅均具备多个弯曲方向辨识能力，最高弯曲灵敏度超过22nm/m-1；倾斜弧形长周期光纤光栅具备扭转方向辨识能力，最高扭转灵敏度超过0.5nm/(rad·m-1)，二者较传统光纤器件均提高2~3倍。 5.采用烧结法制备了表面涂覆氧化锌的弧形长周期光纤光栅器件，测试了相应器件在涂覆前后的光谱变化以及其温度、折射率传感特性。该光栅器件涂覆氧化锌后，其温度灵敏度降低约44%，而折射率灵敏度基本保持不变，与理论预测一致。

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