局部微结构光纤光栅特性及传感研究

论文摘要

光纤光栅作为一种新型的传感器件，因其具有其他传统传感器没有的优势，从上个世纪80年代就受到人们的广泛关注，在近几年中，实现了飞速的发展。随着光纤光栅技术的不断完善发展，光纤光栅在光通信领域的应用将越来越广泛。近几年，基于光子带隙结构的器件(如局部微结构光纤布拉格光栅)因其使反射谱中特定的光通过的特点越来越引起人们的广泛关注。局部微结构光纤光栅是将原布拉格光纤光栅均匀分布的包层被侵蚀掉一部分，产生非周期分布的结构，此结构产生的特性使光栅的反射谱中打开一个通带，此种带隙结构与相移光纤光栅非常类似，因而使其在微流体、生物化学、和化学研究等方面具有了独特的传感优势。本论文主要以局部微结构光纤布拉格光栅和局部微结构长周期光栅为研究对象，对其温度和折射率的传感特性与应用进行了理论和实验的研究，主要内容包括：1）介绍了光纤光栅和局部微结构光纤光栅的发展历史及研究现状。简单介绍了光纤光栅的写制方法，阐述了光纤光栅和局部微结构光纤光栅的传感优势及实用化所面临的问题。2）简要介绍了光纤光栅的基本分析方法：耦合模理论、传输矩阵分析法，并简要分析了其优缺点，在此基础上，从耦合模理论出发，基于传输矩阵法和相移理论，使用Comsol计算出局部微结构光纤布拉格光栅的相位变化，将刻蚀边缘的相位变化代入相移矩阵，通过Matlab得到局部微结构光纤布拉格光栅的频谱，并对非对称结构、阶梯型结构、两端刻蚀结构的局部微结构光纤布拉格光栅进行数值模拟，分析其特性并提出其应用前景。3）提供了一种同时测量液体温度和折射率的方法。作为传感探头的局部微结构光纤光栅是采用氢氟酸腐蚀轴向包层的方法得到的，其频谱产生的主要变化是在原布拉格反射峰内会产生一个透射窄带，使用局部微结构光纤布拉格光栅对液体温度和折射率进行测量。两反射峰温度和折射率敏感系数基本相同，分别为0.0097nm/°C和510nm/RIU，透射通带的温度和折射率敏感系数比两反射峰稍大，分别为0.0116nm/°C和528nm/RIU，根据以上特性，可使用局部微结构光纤布拉格光栅同时测量液体温度和折射率。4）简要介绍了腐蚀长周期光栅的发展历史，并对局部微结构长周期光纤光栅进行了理论分析和仿真，分析了包层厚度对灵敏度的影响。局部微结构长周期光栅可以通过改变相移的大小和位置提供多种新的特性，因此可以应用于特殊目的的滤波器。实验中用氢氟酸腐蚀长周期包层制作出局部微结构长周期光栅，并分别对温度和折射率进行测量，其中温度敏感度为0.058nm/°C，折射率敏感度为2691nm/RIU，其灵敏度比局部微结构光纤布拉格光栅要大，因此能更加精确的提供液体温度和折射率传感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 传感技术简介
• 1.2 光纤光栅简介
• 1.2.1 光纤光栅发展史
• 1.2.2 光纤光栅的分类及几种常见类型
• 1.3 光纤光栅的写制技术
• 1.3.1 内部写入法
• 1.3.2 外写入法
• 1.3.3 光栅的其他写入方法
• 1.4 局部微结构光纤光栅的出现和发展
• 1.4.1 局部微结构光纤光栅的出现
• 1.4.2 局部微结构光纤光栅的发展
• 1.5 光纤光栅传感优势及面临的问题
• 1.5.1 光纤光栅传感优势
• 1.5.2 光纤光栅传感技术研究状况及需要解决的问题
• 1.5.3 局部微结构光纤光栅需要解决的问题
• 1.6 本文主要内容
• 1.7 本论文的主要创新点
• 第二章 局部微结构光纤光栅理论分析
• 2.1 局部微结构光纤光栅的理论分析方法
• 2.1.1 光纤光栅耦合模理论
• 2.1.2 传输矩阵分析法
• 2.1.3 局部微结构光纤光栅分析方法
• 2.2 局部微结构光纤光栅仿真分析
• 2.3 其他类型局部结构微结构光纤布拉格光栅仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 局部微结构光纤布拉格光栅传感实验研究
• 3.1 局部微结构光纤光栅的两种刻蚀技术
• 3.1.1 氢氟酸腐蚀法
• 3.1.2 飞秒激光器刻蚀法
• 3.2 局部微结构光纤布拉格光栅的制作
• 3.3 局部微结构光纤布拉格光栅传感实验
• 3.3.1 温度测量实验
• 3.3.2 折射率测量实验
• 3.4 基于局部微结构光纤布拉格光栅的液体温度折射率同时测量传感器
• 3.5 基于局部微结构光纤布拉格光栅的双波长激光器
• 3.6 本章小结
• 第四章 局部微结构长周期光纤光栅传感与应用研究
• 4.1 局部微结构长周期光栅原理
• 4.2 局部微结构长周期光栅仿真分析
• 4.3 局部微结构长周期光栅的传感实验
• 4.3.1 温度测量实验
• 4.3.2 折射率测量实验
• 4.4 基于局部微结构长周期光栅的液体温度折射率同时测量传感器
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢