飛秒寫制長周期光纖光柵的光譜特征及傳感應(yīng)用.pdf

1、長周期光纖光柵(LPFG)作為一種重要的新型光纖光柵濾波器件，憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，如插入損耗小、阻帶寬、后向反射低、傳感靈敏度高，抗腐蝕、體積小等，在光纖通訊、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。不同的光柵制作方法影響著光柵的性能，從而制約著其應(yīng)用。如傳統(tǒng)紫外曝光法利用光纖的光敏性誘導(dǎo)折變，刻寫的LPFG溫度穩(wěn)定性低;CO2激光脈沖誘導(dǎo)光纖折變的機(jī)理主要是熱效應(yīng)引起的殘余應(yīng)力釋放，刻寫的LPFG具有較大的插入損耗，在刻寫超長周期光纖光柵時容

2、易導(dǎo)致光纖變形。
　　 近年來，飛秒激光技術(shù)成為光纖光柵制作方法上的重大突破。飛秒激光誘導(dǎo)折變?yōu)槎喙庾游者^程，不但對刻寫光纖的光敏性沒有要求，而且刻寫的光柵具有高的溫度穩(wěn)定性、窄的線寬和大的折射率調(diào)制等特性，在高溫傳感和光纖激光器等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)紫外曝光法等相比，飛秒激光技術(shù)在制備光纖光柵等光纖傳感器方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值。其中，飛秒激光逐點(diǎn)法因其簡單靈活性已成為制備LPFG的主要研究方法。
　

3、　 本文在深入研究飛秒激光脈沖制備新型光纖傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，對飛秒激光脈沖逐點(diǎn)法寫制LPFG技術(shù)、及用該方法寫制的LPFG的光譜特征和傳感特性進(jìn)行了研究，具體工作內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　 1.介紹了本課題的研究背景和意義;介紹了飛秒激光微加工技術(shù);闡述了飛秒激光制備光纖光柵的方法;總結(jié)了飛秒激光逐點(diǎn)法刻寫長周期光纖光柵的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和水平;總結(jié)了利用飛秒激光直寫技術(shù)制備新型光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯难芯楷F(xiàn)狀;歸納了飛秒激光制作的

4、光纖傳感器的傳感特性。
　　 2.討論了飛秒激光與透明固體電介質(zhì)相互作用的機(jī)理，包括光致電離、雪崩電離、等離子體形成和自聚焦效應(yīng)?？偨Y(jié)了解釋飛秒激光誘導(dǎo)介質(zhì)折射率發(fā)生改變的現(xiàn)有機(jī)理模型，包括熱模型、色心模型、結(jié)構(gòu)改變模型和微爆模型。
　　 3.建立了光纖光柵的非均勻折射率調(diào)制和溫度分布模型，理論仿真了不同曝光時間下的光譜變化，并實(shí)驗(yàn)研究了低脈沖能量下飛秒激光對光纖光柵的作用，與理論分析吻合良好。實(shí)驗(yàn)采用聚焦的紅外飛秒激光

5、對傳統(tǒng)紫外曝光法刻寫的TypeⅠ型光纖布拉格光柵(FBG)分別進(jìn)行了單點(diǎn)和掃描式曝光，研究發(fā)現(xiàn)，激光單點(diǎn)照射柵區(qū)任意位置時，照射過程中的光譜有較大紅移，且光譜結(jié)構(gòu)不再是單透射峰而是不規(guī)則的多透射峰;然而照射結(jié)束后的布拉格波長藍(lán)移且光柵透射率增加，隨著曝光時間的增加該變化逐漸趨于飽和。雖然激光脈沖能量低，但是聚焦光斑的高斯能量分布導(dǎo)致被照射光柵的曝光區(qū)處在一個非均勻溫度場中。把聚焦的激光脈沖看作一系列熱源，分析了熱源擴(kuò)散過程對光柵折射率的

6、影響，給出了激光脈沖單點(diǎn)照射光柵過程中的非均勻溫度分布模型及照射結(jié)束后折射率的調(diào)制輪廓模型，理論仿真了不同曝光時間后和曝光過程中的光譜變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。研究結(jié)果表明在低能量情況下，焦點(diǎn)的熱場是引起光柵折射率改變的主要因素。
　　 4.設(shè)計(jì)了基于水平、垂直雙CCD對準(zhǔn)的飛秒激光長周期光纖光柵逐點(diǎn)寫制系統(tǒng)，提高了激光與光纖對準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和效率，在未作增敏處理的單模光纖內(nèi)刻寫了后向反射損耗低、強(qiáng)度大、線寬窄且光譜平滑的長周期光纖

7、光柵。詳細(xì)說明了該刻寫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和光刻過程。介紹了刻寫系統(tǒng)搭建和元器件選擇上的一些要點(diǎn)和難點(diǎn)問題。實(shí)驗(yàn)研究了光柵刻寫過程中的光柵周期、光柵長度、激光脈沖能量等刻寫參數(shù)對光柵形成和光譜的影響。
　　 5.在對飛秒激光誘導(dǎo)光纖折變輪廓綜合分析的基礎(chǔ)上，理論研究了長周期光纖光柵光譜中的低幅值諧振峰現(xiàn)象，并給出了飛秒激光寫制LPFG的光譜分析方法。首先從三層光纖模型出發(fā)，以耦合模方程為基礎(chǔ)，對余弦折射率調(diào)制LPFG的光譜特性進(jìn)行了理

8、論分析，數(shù)值仿真分析了光柵長度（即光柵周期數(shù)）、折射率調(diào)制深度對光柵光譜的影響。其次針對飛秒激光誘導(dǎo)折射率改變的橫截面輪廓和軸向矩形分布，分橫向折變在纖芯均勻、橫向折變非均勻、橫向折變輪廓中心偏離光纖中心三種情況，對飛秒激光脈沖逐點(diǎn)法刻寫的LPFG的光譜特征及分析方法，進(jìn)行了總結(jié)分析。
　　 6.對飛秒寫制LPFG的溫度和折射率傳感特性及應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在對LPFG的波長和損耗峰幅度的溫度靈敏度進(jìn)行理論分析之后，對飛秒激光寫

9、制LPFG的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分別對未發(fā)生過耦合光柵和過耦合光柵的光譜隨溫度的變化進(jìn)行了分析;與高頻CO2激光脈沖和傳統(tǒng)紫外曝光法制作的LPFG的溫度特性進(jìn)行了對比;并對飛秒寫制LPFG的高溫傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。理論分析了LPFG的折射率靈敏度影響因素，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，對飛秒激光刻寫的LPFG進(jìn)行了氯化鈉和蔗糖濃度測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明飛秒寫制LPFG用于溶液濃度的傳感測量是可行的，且響應(yīng)快。最后給出了提高其折射率靈敏度的三種方法。