光纤光栅器件及传感应用研究

论文摘要

光纤光栅传感技术是传感领域的主流发展方向之一。基于波长编码的光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、结构紧凑、便于波分复用、易于构成光纤传感网络等优点,已经广泛用于地震监测、土木工程、航天航空、海洋探测、石油电力、生物化学及医学检测等众多领域。本论文围绕几种新型光纤光栅器件,并就其在光纤传感中的应用进行了深入的理论和实验研究,取得了若干创新性成果。论文的主要工作归纳如下:首先从光纤光栅的物理模型出发,介绍了分析光纤光栅的理论工具(耦合模理论和传输矩阵法),并用其分别对光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光栅(LPG)进行了模拟计算,分析了各自光谱特性;阐述了光纤的光敏性机理,介绍了几种常见的光纤增敏技术;分析了几种常用的光栅制作技术,重点介绍了本论文中所使用的光纤光栅制作系统。单纵模输出的短腔光纤光栅激光器在传感应用中具有重要应用价值。首先介绍了光纤光栅激光器理论,并分析了实现单纵模输出的条件。然后介绍了短腔光纤光栅激光器的制作方法,并利用短腔光纤光栅激光器产生的偏振拍频信号进行应变与温度同时测量、横向压力负载测量。实验结果表明,光纤光栅激光器具有比普通FBG更高的灵敏度。其次是利用短腔光纤光栅激光器作水听器,测量高频医学超声波。研究了光纤包层直径与水听器响应之间的关系,设计了专用的光纤腐蚀工艺和实验装置,给出了详细的实验过程和分析结论。研究了光纤光栅折射率传感中的中的两个关键问题,即如何提高灵敏度和解决温度交叉敏感问题。详细分析了长周期光纤光栅用于折射率传感的原理,提出了内插光纤锥LPG干涉仪用于提高折射率传感灵敏度;同时,就温度交叉敏感问题提出了三种不同的解决方案,包括夹层LPG结构、双LPG结构、内插光纤锥多模光纤FBG对结构,分别介绍了它们对折射率与温度同时测量的原理,并用实际制作的光纤光栅传感器进行了相关的折射率和温度测量实验,最后对实验结果进行了分析讨论。介绍了几种常用的光纤光栅传感器信号解调方案,分析了各自的工作原理、优缺点及相应的应用领域。提出了两种新型的解调方法,首先详细阐述了光纤光栅微波光子滤波器用于波长解调的原理。由于其温度不敏感特性,非常适合在应力传感领域应用,而不需要额外的温度补偿。其次是基于啁啾切趾光纤光栅三角形滤波器的解调方案,并用于FBG传感器的动态应变信号解调。实验证明,该方案具有很好的解调效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景及目的
• §1.2 光纤光栅的发展概况
• §1.3 光纤光栅分类及其传感应用
• §1.3.1 光纤光栅的分类
• §1.3.2 光纤光栅在传感领域中的应用
• §1.4 本论文的主要内容及创新点
• §1.4.1 本论文主要内容
• §1.4.2 本论文的创新点
• 参考文献
• 第二章 光纤光栅理论及制作技术
• §2.1 引言
• §2.2 光纤光栅理论
• §2.2.1 光纤光栅物理模型
• §2.2.2 耦合模理论
• §2.2.3 传输矩阵分析法
• §2.3 光纤的光敏性及增敏技术
• §2.3.1 光纤的光敏性
• §2.3.2 光纤增敏技术
• §2.4 光纤光栅制作技术
• §2.4.1 布拉格光纤光栅制作技术
• §2.4.2 长周期光纤光栅制作技术
• §2.4.3 本论文中的光纤光栅制作系统
• §2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 短腔光纤光栅激光器及传感应用
• §3.1 引言
• §3.2 光纤光栅激光器基本理论
• §3.3 短腔光纤光栅激光器制作
• §3.4 传感应用实验研究
• §3.4.1 应变与温度同时测量实验
• §3.4.2 横向压力负载测量
• §3.4.3 高频超声波传感应用
• §3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 光纤光栅折射率传感技术
• §4.1 引言
• §4.2 LPG传感原理分析
• §4.2.1 LPG对外界折射率的响应
• §4.2.2 包层半径对LPG共振波长的影响
• §4.3 折射率传感增敏技术
• §4.3.1 基于LPG M—Z干涉仪
• §4.3.2 基于光纤熔融拉锥技术
• §4.4 折射率与温度同时测量方案
• §4.4.1 夹层LPG结构
• §4.4.2 双LPG结构
• §4.4.3 内插多模光纤锥双FBG结构
• §4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 光纤光栅传感器信号解调技术
• §5.1 引言
• §5.2 常见的光纤光栅解调技术方案
• §5.2.1 有源解调技术
• §5.2.2 无源解调技术
• §5.3 基于微波光子滤波器的解调方案
• §5.4 基于啁啾切趾FBG的解调方案
• §5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢