基于飛秒激光的長周期光纖光柵制備及其傳感特性研究.pdf

1、隨著光纖及光子器件制造技術(shù)的不斷完善，光纖光柵已成為目前最具有代表性和最具有發(fā)展前途的光纖無源器件之一，廣泛應(yīng)用于光通信和光傳感等領(lǐng)域。長周期光纖光柵(long-periodfibergratings:LPFG)作為一種新型的光纖光柵，由于其插入損耗小、帶寬寬、后向反射低、對外界環(huán)境變化的反應(yīng)靈敏度高、制作簡單、成本低廉等優(yōu)點，受到國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。發(fā)展短短數(shù)年，已經(jīng)顯示出了極為廣闊的應(yīng)用前景。由于LPFG的周期相對較長，滿足相位匹

2、配條件的是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模，這一特點決定了LPFG的諧振波長和峰值對外界環(huán)境變化非常敏感，具有比布拉格光柵(FBG)更好的溫度、應(yīng)變、彎曲、扭曲、橫向負(fù)載、濃度和折射率靈敏度。因此，LPFG在傳感領(lǐng)域具有比布拉格光柵和其他傳感器件更多的優(yōu)點和更加廣泛的應(yīng)用。另外，由于對光纖光柵功能需求標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，新結(jié)構(gòu)、新特性、多功能光纖光柵的研制已經(jīng)成為開發(fā)新型光子器件的必然發(fā)展趨勢。
　　 本文在前期對長周期光纖光柵理論以及長

3、周期光纖光柵各種制備方法比較分析的基礎(chǔ)上，深入分析了長周期光纖光柵的耦合模原理和各種光柵制備方法的優(yōu)缺點，設(shè)計了基于800nm飛秒激光器的使用逐點刻寫法的長周期光纖光柵制備系統(tǒng)，實現(xiàn)了光纖位置的精確控制并利用兩個CCD和監(jiān)視器實現(xiàn)了光纖纖芯與激光脈沖實現(xiàn)了精確對準(zhǔn)，并且刻寫得到了不同參數(shù)諧振峰譜形的長周期光纖光柵。然后又對刻寫得到的LPFG進(jìn)行了包括高/低溫、軸向應(yīng)變、彎曲以及折射率等各種傳感特性分析與實驗，得到了相應(yīng)的變化曲線。接著，

4、使用氫氟酸腐蝕以及PSS和PDDA兩種聚合物對刻寫得到的LPFG進(jìn)行靜電自組裝涂覆，用于增強(qiáng)光柵的折射率響應(yīng)靈敏度，并對增敏后的LPFG進(jìn)行了折射率靈敏度響應(yīng)測試。最后，設(shè)計了基于LPFG和高雙折射光纖Sagnac環(huán)鏡干涉儀的多參數(shù)測量方法。
　　 本文的主要內(nèi)容包括:
　　 1.根據(jù)三層光纖模型，分析了光纖波導(dǎo)中的模式分布，并合理簡化，分析了長周期光纖光柵中的纖芯基模與一階低次包層模式的耦合.用耦合常數(shù)描述了模式耦合的

5、強(qiáng)弱。同時，對長周期光纖光柵的光譜特性進(jìn)行分析和數(shù)值模擬，探索了長周期光纖光柵各參數(shù)對其譜形變化的影響，為LPFG的制備和傳感應(yīng)用研究提供理論參考。
　　 2.比較分析了光纖光柵制備技術(shù)中常見的寫制方法，主要介紹了干涉儀法、相位掩板法、逐點刻寫法等方法，并分析比較各方法的優(yōu)缺點。接著介紹目前常見的各類激光器以及實驗系統(tǒng)中涉及的800nm飛秒激光器。然后詳細(xì)分析說明論文采用的基于逐點刻寫法和800nm飛秒激光器的長周期光纖光柵刻寫

6、系統(tǒng)的各主要組成部分及其功能。并通過實驗獲得使用光柵制備系統(tǒng)實現(xiàn)光纖位置的精確控制的方法和使用兩個CCD和監(jiān)視器實現(xiàn)光纖纖芯與激光脈沖焦點的精確對準(zhǔn)的方法。最后，使用設(shè)計的長周期光纖光柵制備系統(tǒng)在未載氫的裸光纖的上成功刻寫得到多種不同諧振峰譜形特征的LPFG，刻寫得到的LPFG光路損耗低，其諧振峰變化平滑，線寬較窄。通過對刻寫的過程進(jìn)行監(jiān)測，得到了LPFG寫制過程中透射譜線變化趨勢，驗證了該刻寫系統(tǒng)可以準(zhǔn)確穩(wěn)定地保證光纖纖芯與激光脈沖焦

7、點的對準(zhǔn)。
　　 3.在全面深入研究長周期光纖光柵傳感特性基本理論的基礎(chǔ)上，對飛秒刻寫LPFG進(jìn)行溫度、軸向應(yīng)變和彎曲特性分析與實驗。實驗得到，LPFG諧振峰值在30～250℃以及300～800℃兩個范圍內(nèi)的隨溫度升高向長波方向呈線性變化，在兩段溫度范圍內(nèi)，溫度響應(yīng)曲線的線性度均保持在0.99以上，其溫度特性穩(wěn)定平滑，高溫穩(wěn)定性比較理想。飛秒刻寫LPFG諧振峰值在0～800με范圍內(nèi)的隨拉力的增加向長波方向呈線性變化，兩個諧振峰

8、值對軸向應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度分別為0-472×10-3nm/με和0-501×10-3nm/με，線性度均不低于0.993。飛秒刻寫LPFG諧振峰隨著曲率半徑的減小損耗(曲率增加)逐漸減小，并且隨著曲率半徑的減小諧振峰向短波方向發(fā)生緩慢的漂移，但是光柵諧振峰損耗與峰值變化的趨勢因彎曲方向的不同而會出現(xiàn)較大的差異。
　　 4.實驗對飛秒刻寫LPFG進(jìn)行了折射率傳感特性分析，并使用濃度10～60％的蔗糖溶液和一系列有機(jī)試劑對其進(jìn)行折射率

9、響應(yīng)靈敏度實驗。實驗得到，當(dāng)外界環(huán)境折射率接近光纖包層折射率時，LPFG折射率靈敏度響應(yīng)越靈敏的結(jié)論。然后使用氫氟酸對LPFG進(jìn)行腐蝕，并使用PDDA與PSS兩種聚合物對腐蝕后的LPFG進(jìn)行靜電自組裝涂膜，對飛秒刻寫LPFG進(jìn)行折射率增敏實驗。涂膜實驗后對并增敏后的LPFG進(jìn)行折射率響應(yīng)靈敏度測試。實驗得到，增敏后的LPFG的折射率靈敏度得到了提高，而且折射率的靈敏度增加了三倍左右，結(jié)果表明經(jīng)過增敏后LPFG可測量溶液的范圍和精度都隨之

10、增大。
　　 5.在對Sagnac效應(yīng)以及高雙折射率光纖Sagnac環(huán)鏡干涉儀進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了使用LPFG和高雙折射率光纖Sagnac環(huán)鏡干涉儀的多參數(shù)同時測量系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)進(jìn)行了溫度與應(yīng)變的同時變化，進(jìn)行了相關(guān)測量與驗證實驗。經(jīng)過實驗得到，該系統(tǒng)的溫度分辨率為0.03℃，應(yīng)變分辨率為1-7με，溫度和應(yīng)變的測量精度為分別可以達(dá)到±0.26℃和±17.4με。與其它方法相比，該系統(tǒng)在保持較高的測量精度的基礎(chǔ)上保持了