長周期光纖光柵理論及傳感特性研究.pdf

1、根據分析光纖的兩種光纖介質模型:兩層介質模型和三層介質模型及長周期光纖光柵(LPFG)傳感理論，研究了不同包層半徑下，長周期光纖光柵對外界環(huán)境折射率、溫度、軸向應變的傳感靈敏度，并對其傳感特性進行了分析。此外，基于馬赫-曾德爾干涉儀提出了一種級聯(lián)的長周期光纖光柵溫度傳感器結構，并根據長周期光纖光柵的耦合模理論及傳輸矩陣分析法對其傳感特性進行了仿真分析。本文的主要研究內容包括:
　　(1)為了更加準確的研究長周期光纖光柵的傳感特性，

2、為各類傳感器的分析與設計及交叉敏感問題的解決提供指導，本文依據兩種光纖介質模型下纖芯模的本征方程仿真分析了單軸晶體光纖的兩層介質模型與三層介質模型下所得到的纖芯模有效折射率的差別，并基于該差別對長周期光纖光柵的外界環(huán)境折射率、溫度和軸向應變傳感靈敏度進行了仿真分析。結果表明:對于薄包層光纖，兩層、三層介質模型光纖的纖芯模有效折射率有較大差別;用兩層介質模型和/或材料的折變系數(shù)計算所得的長周期光纖光柵的外界環(huán)境折射率、溫度和軸向應變靈敏度

3、有較大的誤差，需應用三層介質模型以及模式的有效折變系數(shù)進行準確地計算。據此計算了上述三種傳感靈敏度與光纖包層半徑及包層模序數(shù)之間的關系，并進行了實驗研究。結果表明:包層半徑一定時，由于不同包層模的波導色散因子正負極性的變化，使得外界環(huán)境折射率靈敏度、溫度靈敏度、軸向應變靈敏度均出現(xiàn)變號。包層模序一定時，隨著包層半徑的減小，外界環(huán)境折射率靈敏度增大、溫度靈敏度減小、低階包層模的軸向應變靈敏度增大、高階包層模的軸向應變靈敏度減小。
　

4、　(2)為了解決單個長周期光柵的透射譜帶寬相對較大，一定程度地限制了長周期光柵的溫度靈敏度與測量精度的問題，并實現(xiàn)波長的可調諧，基于馬赫-曾德爾干涉儀提出了一種級聯(lián)的長周期光子晶體光纖光柵的溫度傳感結構，并依據長周期光纖光柵的耦合模理論及傳輸矩陣法對該結構的溫度傳感特性進行了仿真分析。該結構通過在光子晶體光纖上間隔一定距離寫入兩段級聯(lián)的長周期光柵，并在光子晶體光纖空氣孔中填充液體乙醇，實現(xiàn)對溫度的傳感。通過控制乙醇的溫度，可以改變光柵耦