長周期光纖光柵的特性及傳感應(yīng)用研究.pdf

1、長周期光纖光柵是一種周期在數(shù)百微米的光纖光柵，由于插入損耗低、背向散射小、制作簡單以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在光纖傳感和光纖通訊領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。本文提出了采用CO2激光脈沖制作長周期光纖光柵的新制作方法，并對(duì)該方法制作的長周期光纖光柵的光譜特性和傳感特性進(jìn)行研究。 1.本文建立了光纖三層模型，從矢量亥姆霍茲方程出發(fā)，根據(jù)電磁場(chǎng)的邊界連續(xù)條件，得到了隱式的包層模特征方程，然后采用快速搜索和逐步逼近的方法對(duì)包層模的有效折射率進(jìn)行高分辨

2、率的快速求解。文中同時(shí)對(duì)長周期光纖光柵的光譜特性進(jìn)行分析和數(shù)值模擬，為長周期光纖光柵的制作和傳感研究提供理論參考。 2.本文首次提出了利用三束聚焦的高頻CO2激光脈沖角向?qū)ΨQ寫入系統(tǒng)制作長周期光纖光柵的方法，具有寫入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，能夠制作出插入損耗小，帶寬窄的長周期光纖光柵，同時(shí)能消除CO2激光單側(cè)寫入方法引起的折射率改變不均勻的問題，保證長周期光纖光柵具有相對(duì)一致的彎曲特性，減小了長周期光纖光柵的偏振相關(guān)

3、損耗。本方法已獲得國家發(fā)明專利。 3.本文采用CorningSMF-28光纖，通過對(duì)稱寫入方法制作出纖芯導(dǎo)模與低階包層模之間產(chǎn)生能量耦合的長周期光纖光柵，并對(duì)光柵的溫度、軸向應(yīng)變、彎曲以及環(huán)境折射率等特性進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。從長周期光纖光柵和布拉格光纖光柵的高溫實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出，長周期光纖光柵具有較高的溫度靈敏度和高溫穩(wěn)定性，適合于高溫環(huán)境下的溫度傳感。對(duì)長周期光纖光柵軸向應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果表明，其軸向應(yīng)變靈敏度與布拉格光纖光柵

4、的相近或者低一個(gè)量級(jí)左右，遠(yuǎn)小于長周期光纖光柵的溫度靈敏度。對(duì)長周期光纖光柵彎曲特性的測(cè)量結(jié)果表明，采用單面寫入技術(shù)制作的長周期光纖光柵存在對(duì)應(yīng)變最為靈敏兩個(gè)方向和最為不靈敏的兩個(gè)方向，而采用本文對(duì)稱寫入技術(shù)制作的長周期光纖光柵則具有相對(duì)一致的彎曲特性。對(duì)長周期光纖光柵環(huán)境折射率敏感特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，長周期光纖光柵可以實(shí)現(xiàn)折射率/濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并且靈敏度高，而通過腐蝕包層半徑的方法可以進(jìn)一步環(huán)境折射率的敏感性。 4.本文制作

5、了溫度可調(diào)諧長周期光纖光柵帶阻濾波器，基于該濾波器的線性邊帶提出了布拉格光纖光柵動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。由于溫度可調(diào)諧長周期光纖光柵帶阻濾波器的線性范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)，因此能夠自動(dòng)適應(yīng)布拉格光纖光柵應(yīng)變傳感器所在環(huán)境溫度的變化，使布拉格光纖光柵傳感器的反射波長的初始位置始終位于濾波器線性邊帶的中心，從而保證傳感器獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍；寬頻響交流放大器的采用可以消除電路的直流漂移和布拉格光纖光柵傳感器所處的環(huán)境溫度緩慢波動(dòng)引起的低頻擾動(dòng)。

6、 5.針對(duì)高溫高壓油氣井下惡劣的測(cè)量環(huán)境，本文首次提出了長周期光纖光柵和光纖非本征法-珀腔傳感器串聯(lián)復(fù)用測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)溫度和壓力雙參數(shù)同時(shí)測(cè)量。首先從疊加反射光譜中將光纖非本征法-珀腔傳感器的腔長準(zhǔn)確解調(diào)出來，然后從疊加的反射光譜中去除光纖非本征法-珀腔壓力傳感器的干涉譜，得到歸一化的長周期光纖光柵傳輸譜，然后通過高斯擬合求出長周期光纖光柵的諧振波長。為了提高復(fù)用系統(tǒng)中法-珀腔長和長周期光纖光柵諧振波長測(cè)量的分辨率，提出了一種基于最小均