（光学专业论文）光纤光栅及其传感应用研究.pdf

南开大学博士学位论文 一一a 2 5 ) 年；笤 摘要 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，在光纤通信与传 感领域均有着广泛的应用厂本文对几种类型的光纤光栅的制作、特性及其传感 应用进行了研究，主要内容包括： 研究了超结构光纤光栅的光谱特性，理论上计算了不同取样率的超结 构光纤光栅的反射谱，实验上采用两个振幅掩摸错位重叠的方法写入了不同取 样率的超结构光纤光栅，采用一次成栅法得到了1 2 个反射峰的超结构光纤光 栅，还研究了超结构光纤光栅的温度与应变响应特性。 吃，理论上分析了光纤光栅f a b r y p e r o t 腔的工作特性，给出了其强度透 射率的解析表达式，并将其与普通法一珀腔做了比较，讨论了其单模输出阈值 腔长与光纤光栅长度及反射率之间的关系，为其优化设计与实际应用提供了理 论依据。n 8 研究了长周期光纤光栅的成栅行为以及紫外均匀曝光对其耦合特性的 影响，着重讨论了载氢光纤上长周期光纤光栅的写后生长行为。6 时其作出了定 性的解释，并讨论了光栅初始强度与环境温度对其写后生长行为的影响一凡 4 提出了种提高光纤布喇格光栅温度灵敏度的方案，利用特殊聚合物 材料对光纤光栅进行封装处理，实现2 3 倍的光纤光栅温度灵敏度增强，佛我 们所知，这是有文献报道的最大的光纤布喇格光栅温度灵敏度；提出了一种光 纤光栅位移传感方案，将光纤光栅与悬臂梁结构相结合，首次实现了光纤光栅 位移传感实验。) l 皤提出了种新型的光纤光栅复用传感解调技术，利用微机控制的可调 谐光纤激光器进行波长扫描寻址，完成了3 个光纤光栅的复用温度传感实验p 采用高斯一牛顿法进行曲线拟合来确定传感光栅的布喇格波长值，获得了0 1 p m 的波长分辨率l t 弓首次发现了超结构光纤光栅中的包层模耦合效应，并在此基础上提出 了基于超结构光纤光栅的温度应变双参数传感方案，似超结构光纤光栅的包 层模损耗峰与布喇格反射峰有机结合，采用波长与强度组合编码方式，用一个 超结构光纤光栅实现了温度与应变的双参数同时测量。l 。 提出并论证了两种单光纤布喇格光栅温度应变双参数传感方案。( 利用 写于两种光纤连接处的光纤光栅的两个布喇格波长的不同的温度和应变响应特 性，采用双波长编码方式用一根光纤布喇格光栅实现了温度与应变的双参数同 时测量j r 圆首次成功地在阶跃型多模光纤上写入光纤布喇格光栅，研究了其光谱 摘要 特性以及温度、应变和弯曲响应特性，并将其与单模光纤光栅做了比较，( 指出 了多模光纤布喇格光栅传感器的优势所在。) 百提出了一种高温度稳定性的光纤光栅制作技术，在载氢光纤上写制出 了高温度稳定性的光纤布喇格光栅a 往6 0 5 c 退火1 0 小时后其折射率调制深度 仅下降了3 9 ，其耐高温能力选远高于掺锗光纤光栅。l 。 【71 0 提出了种光纤光栅布喇格波长写后调节技术，对退火后的载氢光纤 光栅进行紫外均匀曝光，不但能够对其布喇格波长进行精细调节，而且还能有 效提高其温度稳定性。将此技术与预应变技术相结合，利用一个位相掩模成功 地制作出了4 组波长间隔为0 8 n m 的光纤布喇格光栅。、。 。 关键词：光纤布喇格光栅、镭结构光纤布i 舜i 格光栅；长周期光栅、光纤光栅f p 腔、 罗鹱e 、多稹，醪b 。光纤传感器、缀分复胄歌位移传感器、弯曲传感 器、，温度应变同时测量、载氢、温度稳定性j r 一” 、 f 南开大学博士学位论文 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) h a v ee m e r g e sa s i m p o r t a n to p t i c a l f i b e rp a s s i v e c o m p o n e n t s i nv a r i e t yo fl i g h t w a v ea p p l i c a t i o n i ti se n v i s a g e dt h a tf b g sw i l lp l a ya k e 3 r o l ei nt h en e x t g e n e r a t i o n o fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s e n s o r n e t w o r k s ，a n do p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h ef a b r i c a t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds e n s i n ga p p l i c a t i o n so fs e v e r a lt y p e so ff b g sw e r es t u d i e d t h e i l i a l nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r s t r u c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n g s ( s f b g s ) h a 、eb e e ns t u d i e do nt h eb a s i so fn u m e r i ca n a l y s i so ft h er e f l e c t i o ns p e c t r ao ft h e g f b g sw i t hd i f f e r e n ts a m p l i n gr a t i o ，i tw a sc o n c l u d e dt h a ts m a l ls a m p l i n gr a t i oc a l l l e a dt oal a r g en u m b e ro fr e f l e c t i o np e a k s as c h e m et oi n s c r i b es f b g sw i t hd i f f e r e n t a m p l i n gr a t i ob yo v e r l a p p i n gt w oa m p l i t u d em a s k sw a sp r o p o s e d t h es f b g s w i t h i2r e f l e c t i o np e a k sw a si n s c r i b e db ys i n g l e s t e pu v e x p o s u r e i na d d i t i o n ，t h es t r a i n i l l l dt e m p e r a t u r er e s p o n s e so f t h es f b g sh a v ea l s ob e e n i n v e s t i g a t e d 2t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r g r a t i n gf a b r y p e r o tc a v i t yh a v eb e e n a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no ft r a n s m i s s i v i t yh a sb e e no b t a i n e d ：m d c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yf a b r y p e r o tc a v i t y t h ei m p a c t so fg r a t i n gl e n g t ha n d g r a t i n gr e f l e c t i v i t yo nt h r e s h o l dc a v i t yl e n g t hf o rf i b e rg r a t i n gf a b r y p e r o tc a v i t y w i t hs i n g l em o d e o u t p u th a v eb e e nd i s c u s s e d 3t h eg r o w t hb e h a v i o ro f l o n g p e r i o dg r a t i n g s ( l p g s ) i nh 2 - 1 0 a d e df i b e rd u r i n g a n da f t e ru vi n s c r i p t i o n ，a n de f f e c t so fu vu n i f o r me x p o s u r eo nt h e c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl p g s ，h a v eb e e ns t u d i e d ar e a s o n a b l ee x p l a n a t i o nf o rt h eg r o w t h b e h a v i o ro ft h el p g si nh ，一l o a d e df i b e ra f t e ru v i n s c r i p t i o nw a sg i v e n i m p a c t so f t e m p e r a t u r ea n dg r a t i n gs t r e n g t ho nt h eg r o w t hb e h a v i o rw e r ea l s od i s c u s s e d 4as c h e m et oi m p r o v e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo f t h ef b g sw a sp r o p o s e d b y p a c k a g i n gt h ef b g s w i t has p e c i a lp o l y m e ro fl a r g ee x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ，2 3t i m e s e n h a n c e dt h e r m a ls e n s i t i v i t yh a sb e e na c h i e v e d t h i si st h el a r g e s tt h e r m a ls e n s i t i v i t y e v e rd e m o n s t r a t e dt oo u r k n o w l e d g e a na p p r o a c hf o rd i s p l a c e m e n ts e n s i n gb a s e do n t i l ef b g sw a sp r o p o s e d b yc o m b i n i n gt h ef b gw i t hac a n t i l e v e rb e a m ，t h ef i r s t e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o no ff b gd i s p l a c e m e n ts e n s o rw a sp e r f o r m e d 5an e wa p p r o a c hf o rt h ed e m o d u l a t i o no f m u l t i p l e x e df b g s e n s o r sb yu s i n g c o m p u t e r c o n t r o l l e dt u n a b l ef i b e rl a s e rt oi n t e r r o g a t et h es e n s i n gg r a t i n g si sp r o p o s e d ， a n dd e m o n s t r a t e df o rt h r e e f b g m u l t i p l e x e dt e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e m b yu s i n g a b s t r a c t g a u s s i a n n e w t o nc u r v e f i t t i n gm e t h o d t od e t e r m i n et h eb r a g g w a v e l e n g t ho fs e n s i n g g r a t i n g s ，0 1 p mw a v e l e n g t h s h i f tr e s o l u t i o nh a sb e e na c h i e v e d 6t h ec l a d d i n gm o d ec o u p l i n ge f f e c ti nt h es u p e r s t r u c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n g s ( s f b g s ) w a sf i r s td i s c o v e r e d ，o nt h eb a s i so fw h i c han e ws c h e m ef o rs i m u l t a n e o u s s t r a i na n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw a sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d b yc o m b i n i n g t h el o s sp e a ko ft h es f b g r e s u l t i n gf r o mc l a d d i n gm o d ec o u p l i n ga n di t sr e f l e c t i o n p e a kr e s u l t i n gf r o mg u i d e dm o d ec o u p l i n g ，a n de n c o d i n gs t r a i na n dt e m p e r a t u r ei n t o b o t hw a v e l e n g t ha n di n t e n s i t y ，s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to fs t r a i na n dt e m p e r a t u r e w a sa c h i e v e db y u s i n g as i n g l es f b g 7 t w on o v e ls c h e m e sf o rs i m u l t a n e o u ss t r a i na n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tb y u s i n g a s i n g l ef b g w e r e p r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d t h e f b g su s e di nt w os c h e m e s w e r eb o t hw r i t t e no nt h es p l i c ej o i n tb e t w e e nt w od i f f e r e n tf i b e r sa n dh a v et w o r e s o n a n c ep e a k sb e c a u s eo fd i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e xb e t w e e nt h et w of i b e r s b y m o n i t o r i n gt h ew a v e l e n g t hs h i f to f t w or e s o n a n c ep e a k so fas i n g l ef b g ，s t r a i na n d t e m p e r a t u r e c a nb ed e t e r m i n e ds i m u l t a n e o u s l y 8f b g sw e r ef i r s tw r i t t e ni n s t e p i n d e x m u l t i m o d ef i b e r s t h e s p e c t r a c h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds t r a i n ，t e m p e r a t u r ea n db e n d i n gr e s p o n s e so ft h ef b g si ns t e p i n d e xm u l t i m o d ef i b e r sw e r ef i r s ti n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h a ti ns i n g l e m o d e f i b e rt h ea d v a n t a g eo ft h i sk i n do ff b g sh a sb e e np o i n t e do u t 9a t e c h n i q u ef o rf a b r i c a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r es t a b l ef b g sw a sp r o p o s e d a n dd e m o n s t r a t e dt h ef b g si n s c r i b e di n h 2 - l o a d e df i b e rb yt h i st e c h n i q u es h o w m u c h h i g h e rt e m p e r a t u r es t a b i l i t yt h a nt h a ti ng e r m i n a t e d o p e df i b e r a f t e r10h o u r a n n e a l i n ga t6 0 5 。c ，i t si n d e xm o d u l a t i o nw a sr e d u c e db yo n l y3 9 10a s i m p l ea n du s e f u lp o s t f a b r i c a t i o nt e c h n i q u ef o rf b g i nh ，l o a d e df i b e r a s p r o p o s e d b ye x p o s i n gt h ef b g s i nh 2 - l o a d e df i b e rt ou vu n i f o r mb e a ma f t e r a n n e a l i n g ，n o to n l y t h e b r a g gw a v e l e n g t h c a nb e p r e c i s e l yt u n e d ，b u t a l s oi t s i c m p e r a t u r es t a b i l i t yc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d b yc o m b i n i n g t h i st e c h n i q u ew i t ht h e p r e s t r a i n i n gt e c h n i q u e 4g r a t i n gg r o u p sw i t hw a v e l e n g t hi n t e r v a l o fo8 n mw e r e f a b r i c a t e di n1 4 2 - l o a d e df i b e ru s i n gas i n g l ep h a s em a s k k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，s u p e r s t r u c t u r e t i b e rb r a g gg r a t i n g ，l o n g p e r i o d g la t i n g ，f i b e rg r a t i n gf a b r y p e r o tc a v i t y ，s i n g l e m o d ef i b e r , m u l t i m o d ef i b e r ，f i b e r s e n s o r , w a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n g ，d i s p l a c e m e n ts e n s o r , b e n d i n gs e n s o ls i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n to fs t r a i na n d t e m p e r a t u r e ，h y d r o g e n - l o a d i n g ，a n dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 历史回顾 光纤光栅是一种新型光纤无源器件，它在光纤中建立起种空间周期性的 f 斤“t 率分市，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光栅的发展大致 jj 两个阶段： 一光纤光栅的早期研究阶段。 1 9 7 8 年，加拿大的k 0 h i 儿等人首次在实验中观察到了掺锗光纤中的光 敏圯栅效应。他们把4 8 8 n m 氩离子激光入射到掺锗光纤中，发现入射光与从 j 匕圩另端面返回的反射光在光纤中干涉形成的驻波干涉条纹能够造成纤芯折 i j 率沿轴向的周期分布，即形成所谓的“h i l l 光栅”。尽管“h i l l 光栅”的问 1 l ：引起了人们浓厚的兴趣，但由于其写入效率低以及其反射波长受激光写入波 长限制等因素的影响，这项极富潜力的技术一直进展缓慢。 二光纤光栅的蓬勃发展阶段。 1 9 8 9 年，美国的g m e l t z 等人发明了紫外侧写入技术”1 ，他们利用两束干 涉的紫外光从光纤的侧面写入了光栅。这项技术不仅大大提高了光栅写入效 耙而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控制布拉格波长的目的。紫 外侧写技术问世后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展起来，光纤 光栅的制作以及光纤敏化技术不断发展。1 9 9 3 年，k 0 h 儿1 等人提出了位相 掩模写入技术口i ，利用紫外激光经过位相掩模衍射后的l 级衍射光形成的干涉 条纹剥光纤曝光写入光纤光栅。此技术的提出极大地放宽了对写入光源相干性 的要求，使得光纤光栅的制作更加容易，并使得光纤光栅的批量生产成为可能。 同年，p j l e m a ir e 等人提出了一种提高光纤光敏性的简单有效方法低温 高压载氢技术【4 】，他们将光纤浸入2 0 7 5 0 个大气压、2 0 7 5 的氢气中使得 氧分子充分扩散进入光纤纤芯内部，然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以 使) 匕纤光敏性提高近两个量级。载氢技术极大地降低了光栅制作成本，人们可 以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，在普通通信光纤上就可以很容易地写 制出高反射率的光纤布喇格光栅。随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各 地掀起了光纤光栅技术的研究热潮，各种基于光纤光栅的有源、无源器件也不 i i f = 涌现，光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域。 1 2 光纤光栅技术的发展 1 2 1 光纤光栅写入技术 南开大学博士学位论文 ij 、j 1 ，入挫i l9 7 8 i ：，k0i i i1 1 等人首次采用内1 j 入浊成功地制作出世界上第一根光 t 们喇格光栅，这种方法写制的光栅通常被称为“h i l l 光栅”，其特点 址：) f 已榔小 喇格波长等1 1 写入激光波k 。如今，此种方法己不在为人们 行泛川了，仇它拒光纤光栅发展史j 劫仃着极为泵要的意义。 二干涉写入法 1 9 8 9 年，g m e lt z 等人首次提出了t 涉丐入法，利用双光束干涉所产生的 _ r 涉条纹从侧面对光纤曝光写入光纤光栅引。干涉写入法可分为分振幅干涉法 r 1 分波河于涉法两种。 分振幅干涉写入装置如图1 1 所示，其优点是可以通过控制两干涉光束之 f h j 的交角灵活地控制光纤光栅的布喇格波长。其不足之处是易受机械振动影 响，反射镜、分束镜等任何光学元件的贬微米级移动都将导致干涉条纹的漂移， 从而影响光栅的写入。另外，由于光束在窄气中传播距离较长，易受气流等因 素影响。 分波前干涉写入装置如图1 2 所示，图中( a ) 采用的是棱镜干涉仪结构1 “， 而( b ) 采用的是l l o y d 干涉仪结构6 j 。与分振幅法相比，分波前干涉写入法只 需要一个光学元件，其抗振动本领得到较大改善。另外，由于光束在空气中传 播距离较短，受气流等因素影响也较小。此种方法的缺点是：光纤光栅的写入 长度及其布喇格波长的可调谐性受到限制。 干涉写入法要求写入光源具有较高的空 日j 相f 性和时州相干性，适合于用 作干涉写入法的紫外激光光源列子1 1 中i ”。 靠瑾 0 a _ | qo 口一t b 目h j 陶1 1 分振幅干涉写入装置原理图图l2 分波前干涉弓入装置原理图 3 位相掩模法 1 9 9 3 年，k o h i u 等人首次提出了光纤光栅的位相掩模写入技术【3 1 ，位相 掩模法目前已成为一种最为，。泛使用的光纤光栅写入方法。所谓位相掩模是蚀 刻于硅基片表面的维周期性的浮雕型光栅，它实际上是一种特殊设计的具有 零级抑制能力的光学衍射元件，如图1 3 所示。紫外光束通过位相掩模后，其 能量主要集中于1 级衍射光中( 每束衍射光能量大于入射光总能量的3 5 ) ， f 4 i 零级衍射光通常小于3 。利用1 级衍射光的干涉形成周期条纹图样对光纤 第一章绪论 表1 1 适_ i _ | 4 丁干涉写入法的紫外激光光源 w w m i e n 。”1 e n e o 口m 。o w e f l e n r j h h 【c m l d e n l u vb e a m _ ，h 1 r 1 _ 几1 _ 肘1 _ 几_ 厂1 u v 卅：1 ( ：d i f f r a c c e d 、 o 2 。_ 尼 p h a s em a s k 幽13 位相掩摸结构示意图酬1 4 i ：接触式位相掩模写入法示意图 曝i 匕，由此写入光纤光栅。 根据光栅写入时光纤与位相掩模之间相对位置的不同，位相掩模写入法可 分为接触式写入法和非接触式写入法两种。 接触式写入法是指将光纤与位相掩模紧密接触，利用近场干涉对光纤迸行 曝光写入光纤光栅。此种方法具有写入装置简单、抗振性好的优点，它对写入 光源十目干性要求亦不高，除了表1 1 中的高相干性紫外光源外，一般的准分子 激光便能满足需要，其不足之处是光纤光栅布喇格波长的可调谐性差。q z h a n g 等人曾提出了预应变调谐技术【8 】，即在光栅写入前刻意对光纤进行不同程度的 拉伸，在应变状态下写入光纤光栅，光栅写好后再撤除应变，这样可以利用一 个位相掩模写入不同波长的光纤布喇格光栅，但由于受光纤本身机械性能的限 制，用此技术只能获得2 - - 3 r i m 的波长调节量。 非接触式写入法是指光纤与位相掩模不接触，1 级衍射光经过一定光程后 f f j ：i 二涉对光纤进行曝光，如图1 4 所示1 9 】。此种写入法在光路形式上与分振幅 i 涉澎、很相近，它可以通过调节1 级衍射光之间的交角大范围地调节光纤光栅 的布喇格波长。与分振幅干涉法相比，非接触式位相掩模写入法有它独特的优 南开大学博士学位论文 点，即它可以对光纤光栅的布喇格波长进行设定，因为对于一定的写入光源 位相掩模的l 级衍射光的初始衍射角为定值。在图1 4 中，位相掩模不仅起刮 分束器的作用，而且还设定了布喇格波长参考值。通过转动反射镜改变衍射角， 呵以在大范围内调谐光纤光栅的布喇格波长，对于初始衍射角为1 0 。的位相俺 懊( 相应于粕喇格波长为1 5 5 0 n m ) ，5 。人小的衍射角变化能够引起8 0 0 n m 内 ”喇格波长移动。非接触式位相掩模写入法的缺点足：易受振动影响，对写入 装置的机械稳定性以及写入光源的相干性要求较高。 1 逐点写入法 逐点写入装置示意图如图1 5 所示，利用狭缝截取脉冲光源出射的紫外光 束，再利用聚焦透镜将狭缝成像于待写光纤一l ，通过轴向移动光纤对光纤进行 逐点曝光，由此在光纤中建立光栅结构 i 。此种方法具有灵活性好的优点，可 限据需要有效控制光纤光栅的长度、周期和折射率轮廓。逐点写入法的缺点是： 得到的光纤光栅的周期较大，无法制作出一阶反射波位于1 5 5 0 n m 附近的光纤 佑喇格光栅。逐点写入法比较适合于制作长周期光纤光栅。 t n s l o t i o n o i 目o g e 图1 5 光纤光栅逐点写入装置示意幽图1 6 振幅掩模写入法示意凰 5 振幅掩模法 振幅掩模是山石英基片与沉积于其表面的周期排列的遮光线构成的。紫外 ) t 入射振幅掩模，利用聚焦透镜将振幅掩模成像于待写光纤上对光纤曝光，由 j 比写入) 匕纤光栅，如图1 6 所示1 。此种方法的缺点与逐点写入法相同，它无 浊写制出一阶反射波位于15 5 0 n m 附近的光纤柿喇格光栅，但此方法非常适合 j 长周期光纤光栅的制作。 逐点写入法和振f 幅掩模浊划写入光源的相干性均无要求，只要其能量足够 ：1 j 就i 叮以了。 1 2 2 光纤光栅的分类 从光纤光栅的成栅机理方面考虑，根据光敏机制的不同，可将光纤光栅分 为以下三种类型 7 l ：i 型、i ia 型和i i 型。 i 型光栅是一种最为常见的光栅类型，无论是用脉冲光源还是连续光沥、， 第一章绪论 l 乎均可以在任何类型的光敏光纤上写制出i 型光栅。它是一种正折射率调制 屹栅( a n 0 ) ，其特征是：在成栅过程中，折射率调制深度与平均折射率均呈 t p 凋增长。i 型光栅的成栅机制与局部电子态缺陷( 1 0 c a l e l e c t r o n i c l e te c t s ) 有关。此类光栅的温度稳定性较差。 i ia 型光栅一种负折射率调制光栅( a n 、 = 乞 c 比 = 匕 匕 - - 一 ji 叫。1 1 5 4 715 4 8 515 5 015 5 1 515 5 3 w a v e t e n g t h ( n m ) f a l w a v e l e n g t hf n m 、 ( b ) w a v e l e n g t h ( n 1 1 1 ) ( c ) 图2 2 理论计算得到的超结构光纤布喇格光栅的反射谱 ( a ) z 1z o = 1 2 ，( b ) z 1 z o = 1 5 ，( c ) z 1z o = 1 2 0 8 第二章超结构光纤布喇格光栅研究 j j ；宋度的提高终究是有限度的，因此光栅反射率的提高要靠增加光栅长度来解 k 、 ! 1 2 超结构光纤光栅的制作 超结构光纤光栅是用振幅掩摸与位相掩摸叠加的方法写入的，如图2 3 所 j ：，将振幅掩摸( a m ) 置于位相掩摸( p m ) 前面，紫外激光透过振幅掩摸后入 叫t 寸十【j 掩摸，被位相掩摸衍射后对光纤曝光写入光栅。振幅掩摸是利用激光加 l 疗法制备在铜片上的周期性挡光结构。可以通过改变振幅掩摸的透光与不透 乜邙分的比值来改变光纤光栅的取样率z z 。，但是对于每一个振幅掩摸来说， 比透光与不透光部分之比是固定的，若想写制多个不同取样率的超结构光纤光 m 就需要制作多个相应的振幅掩摸，但制作一个振幅掩摸需要不小的费用。为 厂降低制作成本以及方便地根据需要写入不同取样率的超结构光栅，我们提出 i 。利 j 陇个振幅掩摸错位重叠的办法来改变光纤光栅的取样率，如图2 3 所示， 苷j t 个相同周期的振幅掩模错位重叠可以方便地调节其透光与不透光部分的比 n 这样，仅需要两个相同的振幅掩摸便可写制出任意取样率( z ，z 。0 5 ) 昭结构光纤光栅。 图23 长周期光纤光栅写入实验装置图 图24 超结构光纤光栅的透射谱，z 1 z o = 1 5 南开大学博士学位论文 5 2 35 9 5 5 l9 5 1 ，、 35 9 三 磊 岳6 7 _ 三 一 一7 5 l5 5 291 5 5 3 915 5 49 w a v e le n g t h ( n m ) 【a ) 1 5 5 l8 15 5 28 15 5 3815 5 481 5 5 581 5 5 68 w a v e l e n g t h ( r i m ) ( b ) 一5 2 ，、一5 6 矗 3 6 0 = 一6 4 至一6 8 e ”一7 2 7 6 1 5 5 l41 5 5 34l5 5 541 5 5 7 4 w a v e l e n g t h ( n m ) ( c ) 图2 5 实验得到的超结构光纤布喇格光栅的反射谱 ( a ) z l z o = 1 2 ，( b ) z l z o = t 5 ，( c ) z 1 z o = 1 9 第二章超结构光纤布喇格光栅研究 实验所用光纤为康宁一2 8 标准单模光纤，在光纤光栅写入前先将光纤在1 4 0 h ：气压、7 0 。c 的氢气罐中放置7 天，对其进行载氢敏化处理。光纤从氢气罐 l l 出后，利用1 9 3 n m 准分子激光通过振幅掩模和位相掩模对其曝光写入超结 f 勾光纤光栅。振幅掩模的周期为1 5 0 0 1 a m 。实验制得的取样率而z ，为1 5 的超 削勺光纤光栅的透射谱如图2 4 所示，光栅长度为1 c m ，从图中可以看到多个 _ 的反射峰，这与前面分析的结果是相一致的。 图25 为三个不同取样率的超结构光纤光栅的反射谱，三个谱图对应的光 册取样率而z 1 分别为l 2 、1 5 和1 9 。正如前面的理论计算所预期的，随着 | 跌样率的减小，超结构光栅的反射峰数目增多，当取样率为1 9 时，在图中可 i 厅到l2 个反射峰。三个光栅的反射率分别为9 7 、9 4 和7 5 。实验中所 的位相掩模的长度为l c m ，当再进一步减小取样率a o z ，时，由于光栅有效长 l 延氏短而很难获得高的反射率。如果我们采用更长的位相掩模，将能得到具有 也好的波长反射特性的超结构光纤光栅。 1 l l _ - l t赋i蝌i ci 。“ij矿1 fi 讲r i 舔1 【 图26 取样周期为4 0 0 9 i n 、取样率为1 2 的超结构光纤光栅的反射谱 05 01 0 0l5 0 t e m p e r a t i l r e ( ) o8 0i6 02 4 03 2 0 s t r a i n ( b t g ) 图27 超结构光纤光栅的温度响应曲线图28 超结构光纤光栅的应变响应曲线 南开大学博士学位论文 21 2 温度与应变响应特性 我们对取样周期为4 0 0 9 m 、取样率为1 2 的超结构光纤光栅的温度和应 驯j 应特性进行了测试，被测光栅的反射谱如图26 所示。测量光纤光栅的温 旧训堂叫，将光栅置于一电加热器上，调节电流大小术改变加热器的温度，用 屯嘴分析仪监测光纤光栅的反射波长移动；测帚光纤光栅的应变响应时，将光 p 0 棚n 勺两端分别固定于一精密的可编程位移控制装置上，通过精确控制光纤 y ，栅端的位移对光纤光栅施加拉应变，实验得到超结构光纤光栅的温度和应 灿一4 血曲线分别如图2 7 和图2 8 所示。从图巾可以看出，超结构光纤光栅的 4 反刺峰具有相同的温度和应变响应，当温度或应变发生变化时，光纤光栅 i jj 反剁o j 擎发：l 二同步的移动，被测光栅的温度和应变系数分别为【0 6 p m 7 剐j 应变系数为1 1 p m v s 。 2 3 光纤光栅f a b r y - p e r o t 腔的理论研究 光纤光栅f a b r y p e r o t 腔可看作是一种特殊的超结构布喇格光纤光栅，它 n i 光纤通信与传感领域均有着重要应用，例如用于线形腔光纤激光器m 1 或坏形 崆光纤激光器的选频、调谐装置n ”。本小节对光纤光栅r p 腔的透射特性进行 了理论分析，给m 了强度透射率的解析表达式，将其同普通卜p 腔做了比较， 并讨论了光纤光栅f - p 腔单模输出闽值腔长与光纤光栅长度及反射率之间的关 系，为光纤光栅f - p 腔的优化设计与实际应用提供了理论基础。 2 3 1 理论分析 口( o ) il ( 上) = ( 弋11 6 ( o ) i i6 ( 上) 吲 p、 国2 9 光纤光栅的结构示意斟。 圈2 9 为一周期为1 的光纤布喇格光栅的结构示意图，其反射、透射特性 i f 蹦耦合模理论束描述。我们把后向传播和附向传播的光波分别表示为 a ( z ) = a ( z ) e x p ( i 肛) 和6 0 ) = b 0 ) e x p ( 一i 肛) ，卢为传播常数。如果给定边界条件占( o ) 2 b 。 和爿( ) = o ，即只有前向波6 ( o ) = b 。入射时，反射波( 后向输出) 和透射波( 前向输 出) 可分别表示为【9 1 “( o 、一型巡坠6 ( o ) ( 2 7 ) 一s i n h ( s l ) + js c o s h ( s l ) 第二章超结构光纤布喇格光栅研究 6 ( 上) ： ! 兰塑! 二! 鱼圭! 6 ( 0 )( 2 8 ) 、。 一口s i n h ( s l ) + i s c o s h ( s l ) 、7 、中 为光栅长度；k 为耦合系数；s = ( 2 一2 ) m ， 仁一风= 2 n 万2 2 n 万2 。，五为光波波长，九= 2 n 1 为布喇格波长。 定义光纤光栅的反射系数和透射系数t g 分别为 = a ( o ) b ( o ) = e x p ( i 癖) 和，。= b ( l ) b ( o ) = i t g l e x p ( i b 。) ，由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 两式 1 | f 鲁 = k s i n h ( s l ) f 1 2 s i n h 2 ( s l ) + s 2 c o s h 2 ( s l ) g 一 ( 2 9 ) 一 一 9 ， 驴川g “勰 ( 21 0 ) 协i 万丽雨蔷再瓣 心川 声。= 一三一o l + t g q 器 ( 2 1 2 ) 光? e 栅的光强反射率和透射率分别为r 川2 和瓦：i 12。g=tg “d。( ) k 础一厶 6 ( o ) ijb ( l o 卜“厶t 一 图21 0 光纤光栅f - p 腔的结构示意图。 + 1 = 0 + m 同一根光纤上的两个布喇格波长相同的光栅便构成光纤光栅f - p 腔，如图 2 10 所示。光纤光栅1 ( f b g i ) 的反射系数和透射系数分别为0 、长度 为；光纤光栅2 ( f b g 2 ) 的反射系数和透射系数分别为7 9 2 、e 2 ，长度为l 2 ；f - p 盱卒的腔长为h 。如果我们给定边界条件b ( 0 ) = b 。和爿( 厶+ ：+ ) = 0 ，则f - p 腔内 ：= ，处的前向波b ( l ，) 应满足如下方程式 b ( l 1 ) = ，。l b ( o ) + 1 k ：e x p ( 一i 2 肋) 6 ( 厶) ( 2 1 3 ) 解得 地) ： 尘! 塑 ( 2 1 4 ) 。“1 一名 名2e x p ( 一i 2 肋) i bj 得fp 腔外z = l 十，+ h 处的透射波为 南开大学博- 2 学位论文 6 ( l i + l 2 + h ，= t s 2 e x p c i 夕n ，。c l ，2 i 二；i ；器。c 。，c z ，s ， 勺了简化分析，我们假定两个光纤光栅是完全一样的，并令 r 。t2 2 2 l 飞l e x p ( i ( b ，) ，。= ，。：= 川e x p ( i i ，) ，则透射波可表示为 6 ( 。+ ：+ ) ：i _ _ ；兰里燮! 16 ( o ) 1 2 e x p i 2 ( 矽，一届) f p 腔的透射光强为，= 6 ( l + l 2 + ) 6 ( l + l 2 十 ) ， 耳。= ，。，将( 2 1 6 ) 式代入并化简后可得 式中 瓦一， l + f s i n 2 ( 肋一，) f = 4 r 。( 1 一r 。) 2 同样地，可得到光纤光栅f - p 腔的光强反射率为 r f p fs i n