光纤Bragg光栅特性的研究

论文摘要

光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一,在光纤通信、光纤传感等领域具有广阔的应用前景。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器已经成为传感器研究领域中的一大热点。光纤Bragg光栅（FBG）传感器是目前光纤光栅传感领域重要的研究方向。它具有分布传感、抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好等优点。本文对光纤Bragg光栅的相关理论进行了系统的研究,主要内容包括:光纤光栅的耦合模理论,光波在光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅（LPFG）的传输特性,光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的物理特性和传感原理,应力和温度的交叉敏感等。本论文的研究工作对理解光纤光栅的物理机制及发展新型光纤光栅传感器件具有重要意义。首先,对光纤光栅传感器的研究现状和发展趋势进行了回顾和展望。简单介绍了光纤的光敏性。系统论述了光纤光栅的各种制作方法并比较了各种制作方法的优缺点。按照理想波导模展开法推导了模式耦合方程。利用耦合模理论研究了光波在光纤光栅中的传播规律,并依据耦合模理论研究了光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的传输响应特性,对光纤光栅的反射谱进行了数值计算,同时分析了光纤光栅的折射率调制深度和光栅长度L与光纤光栅特性之间的关系。其次,在分析光纤Bragg光栅Fabry-Perot（F-P）腔特征的基础上,提出光纤Bragg光栅F-P滤波器的物理模型。利用传输矩阵法对基于光纤Bragg光栅的F-P滤波器的光谱特性进行详细分析和讨论,并研究了光栅长度、折射率调制深度以及F-P腔长对滤波器反射和传输特性的影响。根据光纤Bragg光栅F-P腔的相位谐振条件推导了光纤光栅F-P腔腔长与光纤光栅常数之间的关系。同时,采用多层膜分析方法对复合Bragg光纤光栅进行理论分析和数值计算。通过多层膜分析方法详细研究了复合Bragg光纤光栅的反射特性与光纤光栅的参数之间的关系。并且还对两光栅之间的关联特性进行了分析,为解决交叉敏感问题提供依据。然后,系统研究了光纤Bragg光栅和长周期光栅对温度及应变的传感机理。得出光纤Bragg光栅的应变和温度传感模型。通过对光纤的弹光效应、光纤周期的伸缩、热光效应、热膨胀效应的分析得出了光纤光栅的应变灵敏度和温度灵敏度。进一步对它们在传感测量过程中进行了详细的分析。研究表明,光纤Bragg光栅和长周期光栅的谐振波长随温度和轴向应变线性变化,并且长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关,还依赖于包层参数。定量分析表明谐振波长的温度和轴向应变灵敏度及其变化方向与光纤类型、模式耦合的阶次等因素有关。最后,研究了光纤光栅交叉敏感问题。分析了Bragg光栅的应变-温度交叉灵敏度对测量结果的影响。此外,还详细讨论了光纤光栅同时测量温度和应变的各种方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 光纤的光敏性机理
• 2.1 光纤光敏性
• 2.1.1 光纤材料的光敏性
• 2.1.2 掺锗石英光纤的光敏性机理
• 2.2 光纤光栅的制作方法
• 2.2.1 成栅的紫外光源
• 2.2.2 光纤光栅的写入方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 光纤BRAGG光栅理论分析与特性的研究
• 3.1 光纤Bragg光栅
• 3.1.1 光纤Bragg光栅的结构
• 3.1.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论分析
• 3.1.3 数值计算结果及传输特性分析
• 3.2 光纤Bragg光栅传感原理
• 3.2.1 FBG温度特性分析
• 3.2.2 FBG轴向应力特性分析
• 3.3 光纤Bragg光栅Fabry-Perot滤波器
• 3.3.1 传输矩阵分析法
• 3.3.2 光纤Bragg光栅Fabry-Perot滤波器的结构
• 3.3.3 数值计算结果及传输特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 长周期光纤光栅和复合BRAGG光纤光栅特性的研究
• 4.1 长周期光纤光栅
• 4.1.1 长周期光纤光栅的耦合模理论分析
• 4.1.2 数值计算结果及分析
• 4.2 长周期光纤光栅传感原理
• 4.2.1 LPFG的应变灵敏度分析
• 4.2.2 LPFG的温度灵敏度分析
• 4.3 复合Bragg光纤光栅
• 4.3.1 复合Bragg光纤光栅的结构
• 4.3.2 数值计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 光纤光栅交叉敏感的研究
• 5.1 应变和温度交叉敏感问题
• 5.2 交叉敏感的解决方法
• 5.2.1 双光栅组合法
• 5.2.2 长周期光栅与Bragg光栅组合法
• 5.2.3 不同纤径光栅组合温度（应变）补偿法
• 5.2.4 复合双周期光纤光栅法
• 5.3 交叉灵敏度对应变温度同时测量的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻硕期间取得的成果