并联和螺旋光纤光栅制备技术及传感特性研究

论文摘要

光纤光栅问世至今,已经在光纤传感和光纤通信领域得到广泛应用。光纤光栅的制备方式也层出不穷,例如光纤布拉格光栅（FBG）的制备方式有:飞秒激光逐点法和逐线法、相位掩模板法、全息干涉法等;长周期光纤光栅（LPFG）有:紫外曝光法、高频CO2激光法、电弧放电法等。在国内外学者的研究基础上,本文作者提出了两种新型光纤光栅的制备技术:并联集成光纤布拉格光栅（PI-FBG）制备技术和螺旋长周期光纤光栅（HLPFG）制备技术;并对PI-FBG和HLPFG的制备技术和传感特性做了系统和深入的研究。取得了一些创新成果,主要的工作内容总结如下:1、综述了光纤光栅的研究现状,分析了FBG和LPFG现有制备技术的优缺点;并从衍射光栅的谐振波长公式推导出发,分析了FBG和LPFG的耦合方式;然后结合耦合模理论,推导FBG和LPFG的耦合模方程;讨论了FBG的反射光谱特性与光栅周期和折射率调制量的关系。2、设计并搭建了飞秒激光制备PI-FBG的实验装置,该系统主要包括飞秒激光光路系统、电控旋转光纤夹具和电控位移平台。提出了一种新型FBG的制备方法,该方法基于传统飞秒激光逐点法制备FBG的基础上,通过完善飞秒激光制备装置、优化激光能量、改变FBG数量和空间分布及激光调制方向来制备PI-FBG。设计了一种独特的圆环形结构分布的PI-FBG,详细研究了这种结构的PI-FBG各项光栅参数,实验结果表明:（1）单波长PIFBGs的光栅长度可以缩短到500微米,具有高空间分辨率,高反射率（93%）和低偏振相关损耗（PDL）的特性;（2）测试了单波长PI-FBG的温度响应,最高的温度灵敏度为15.0pm/℃;（3）测试了多波长PI-FBGs的弯曲响应,发现PI-FBG的空间分布或光栅数量的增加而明显影响其弯曲特性;（4）PI-FBG并联集成的每个光栅之间的间隔在2.5微米可以有效的避免光栅之间串扰;（5）研究了超短PI-FBG温度传感器的制备工艺、褪火工艺、温度标定和封装工艺;3、设计并搭建了一套螺旋长周期光纤光栅（HLPFG）氢氧焰加热制备系统,该系统主要包括氢氧发生器（加热装置）、电控旋转电机和电控位移平台;提出了一种新型LPFG的制备方式,该方法利用氢氧焰加热的方式在单模光纤上制备HLPFG,并详细研究了其光谱特性和传感特性,包括:（1）研究了传输光谱随光纤周期的演变、偏振相关损耗;（2）研究了HLPFG对温度、应变、弯曲和扭转传感响应特性。为后续氢氧焰加热制备HLPFG的研究工作打下坚实基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 光纤光栅的研究现状
•   1.2 光纤光栅的制备方法
•     1.2.1 光纤布拉格光栅的制备方法
•     1.2.2 长周期光纤光栅的制备方法
•   1.3 本文主要的研究内容
• 第二章 光纤光栅的耦合模理论
•   2.1 引言
•   2.2 衍射光栅的谐振波长
•   2.3 光纤光栅的耦合模理论
•     2.3.1 光纤布拉格光栅
•     2.3.2 长周期光纤光栅
•   2.4 小结
• 第三章 并联集成光纤光栅的制备及传感特性
•   3.1 引言
•   3.2 飞秒激光与石英光纤的作用机理
•   3.3 飞秒激光逐点法制备并联集成光纤光栅的制备系统
•     3.3.1 飞秒激光逐点法制备FBG的制备系统
•     3.3.2 飞秒激光逐点法制备PI-FBG的制备系统
•   3.4 飞秒激光逐点法制备并联集成光纤光栅的制备方法
•     3.4.1 多波长PI-FBG的制备方法
•     3.4.2 单波长PI-FBG的制备方法
•   3.5 并联集成光纤光栅的传感特性
•     3.5.1 高温特性
•     3.5.2 偏振特性
•     3.5.3 弯曲特性
•   3.6 超短并联集成光纤光栅的应用研究
•     3.6.1 超短PI-FBG温度传感器的制备工艺
•     3.6.2 超短PI-FBG温度传感器的电磁感应加热测温应用
•   3.7 小结
• 第四章 螺旋长周期光纤光栅的制备及传感特性
•   4.1 引言
•   4.2 螺旋长周期光纤光栅氢氧焰加热制备系统
•   4.3 螺旋长周期光纤光栅氢氧焰加热制备方法
•   4.4 螺旋长周期光纤光栅的传感特性
•     4.4.1 温度响应
•     4.4.2 应变响应
•     4.4.3 弯曲响应
•     4.4.4 扭转响应
•   4.5 小结
• 第五章 总结和展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李自亮

导师: 王义平

关键词: 光纤传感,光纤光栅,并联集成,氢氧焰加热

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 深圳大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 81

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