腐蚀薄包层布拉格光纤光栅折射率传感研究

摘要

本文对腐蚀薄包层光纤布拉格光栅折射率传感的理论进行了分析,并利用该理论进行了折射率测量的实验研究。首先在理论上,基于光纤三层结构模型,分析了Bragg波长与光纤直径的关系,同时计算了不同光纤直径下,Bragg波长与环境折射率的变化关系,得到不同直径的薄包层光纤光栅的折射率响应曲线。模拟计算结果表明,Bragg波长与环境折射率变化呈非线性关系,直径更小的光纤传感器拥有更高的灵敏度,在1.333~1.462的折射率范围中,腐蚀到纤芯的薄包层光纤光栅折射率传感器灵敏度约为22 nm/RIU,这是在理论上,该类传感器在特定折射率范围内的最大灵敏度。随后在实验中,通过对一个布拉格光纤光栅分三个阶段腐蚀,得到了三个不同直径(32 μm, 14 μm, 8.45 μm)的薄包层光纤布拉格光栅折射率传感器,记录了腐蚀过程中反射光谱的变化,并分别进行了折射率传感实验。实验结果表明,在1.33300~1.42789的折射率范围内,传感器的平均灵敏度分别为0.246 nm/RIU、1.319 nm/RIU,6.332 nm/RIU,考虑到0.02 nm光谱分辨率,计算得到的折射率分辨率值为0.08 RIU、0.015 RIU、0.00316 RIU。最后,对于理论与实验结果存在微小的差异,即理论模型没有能够预测Bragg波长红移这一趋势,本文也提出了新的见解。