（光学专业论文）新型光敏光纤与耐高温布喇格光栅研究.pdf

型堂塑塑二一f y l u l l111rflr r l 7 l l l l l l l r i i l l l 4 i j l l r 2 q l l 3 i i ir 粤 摘要 基于光纤布喇格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n r f b g ) 的温度传感器由于具有 波长编码测量、抗电磁辐射、轻巧、灵活等优点而被广泛地应用于各个工业领域。 然而，基于f b g 的温度传感器一般只能适用于较低温度范围的测量。这主要是 由f b g 较差的耐高温性能所决定的。众所周知f b g 并不是一个永久性的结构， 当长时间工作在高温环境下时f b g 会消失或被“洗掉 。因此为了能够将f b g 用于更高温度范围的传感应用，必须制作出具有更强耐高温性能的f b g 。 本论文所涉及的研究工作的目标在于研制出新型的光敏性光纤并能够采用 紫外曝光相位掩模法在这些光纤中写入具有强耐高温性能的f b g 。采用优化的 化学气相沉积法分别将锑( s b ) 、铟( i n ) 、铋( b i ) 掺入锗硅光纤中并制作出了高光敏 光纤。在波长为2 4 8 n m 的紫外准分子激光的照射下，这些光敏光纤的内部形成 了强光纤光栅。退火实验结果证实写入上述几种光纤中的f b g 在8 0 0 0 c 或是 9 0 0 0 c 下退火2 4 小时后，仍可在反射光谱中观测到这些光栅的反射率，显示出 了超强的耐高温性能，有着潜在的工业传感应用前景。 在对各种光纤的光敏性和写入其中的f b g 在高温下的稳定性进行测试的基 础上，对光纤的光敏性和f b g 的衰退机理进行了进一步的研究，并提出了一种 新的理论模型阳离子跳跃模型，解释了所得实验结果。这一模型认为锗硅光 纤中的空位对于获得高光敏光纤具有重要的作用，而在紫外曝光过程中阳离子跳 离原来位置的行为是造成光纤折射率变化的主要原因。 在结合阳离子跳跃模型和所谓的老化曲线模型的基础上建立了阳离子阱式 分布模型。采用该模型对上述光栅在高温下的衰退性质进行拟合所得的结果与实 验结果符合得很好，并能准确地预测光栅在某一温度下的工作寿命 作为上述耐高温f b g 的一个重要应用，我们采用基于上述耐高温f b g 的传感 器对热通量进行了测量，并和采用荧光寿命型光纤温度仪所得的测量结果进行了 比较。实验结果表明基于耐高温f b g 的温度传感器具有广阔的应用前景。 关键词：f b g ；光敏性；紫外曝光；耐高温性能；阳离子跳跃；阳离子阱式分布 浙江大学博十学位论文 a b s t r a c t f b g - b a s e ds e n s o r sf o rt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nh a v eb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l f i e l d sd u et ot h e i r d i s t i n g u i s h i n ga d v a n t a g e s ，s u c h a s w a v e l e n g t h e n c o d e d m e a s u r e m e n t ，i m m u n i t y t o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，l i g h tw e i g h t ， f l e x i b i l i t y a n ds oo n b u t t h e y a r en o r m a l l ys u i t a b l e f o r c o m p a r a t i v e l yl o w t e m p e r a t u r er a n g e t h i si sm a i n l yb e c a u s eo ft h e i rp o o rs u s t a i n a b i l i t yu n d e rh i g h t e m p e r a t u r e a sw ea l lk n o wf b gi sn o tap e r m a n e n ts t r u c t u r e ，i tw i l lb ev a n i s h e do r w a s h e do u tw h e no p e r a t i n gf o ral o n gt i m eu n d e ras u f f i c i e n th i g ht e m p e r a t u r e s o f b g sw i t hh i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b i l i t ys h o u l db ef a b r i c a t e di no r d e rt oe x t e n d t h e i rs e n s i n ga p p l i c a t i o n sa th i g h e rt e m p e r a t u r er e g i o n s t h ea i mo ft h ew o r ki nt h i st h e s i si st od e v e l o pn o v e lp h o t o s e n s i t i v eo p t i c a l f i b e r si n t ow h i c h s 仃o n gf b g sw i t hh i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b i l i t yc a nb ei n s c r i b e d b yt h ep h a s e m a s kt e c h n i q u ew i t hau vl a s e rs o u r c e b yc o d o p i n gs b ，i n ，o rb ii n t o g e r m a n i u md o p e ds i l i c af i b e r s ，s e v e r a ln e wp h o t o s e n s i t i v ef i b e r sh a v eb e e nd e v e l o p e d b ym e a n so fm o d i f i e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( m c v d ) m e t h o d s t r o n gg r a t i n g s h a v eb e e nf a b r i c a t e db ye x p o s i n g p i e c e so ft h e s ef i b e r st ot h el a s e re m i s s i o no fa nu v e x c i m e rl a s e rw o r k i n ga t2 4 8n l n a n n e a l i n gt e s t so nt h e s e g r a t i n g sc o n f i r m e dt h a tt h e g r a t i n g sw e r ea b l et os u r v i v ea na n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo f8 0 0 。co re v e n9 0 0 0 cf o r2 4 h o u r so rm o r ea n ds t i l lr e t a i na no b s e r v a b l er e f l e c t i v i t yi nt h er e f l e c t i v es p e c t r u m ， s h o w i n gs u p e r i o rh i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b i l i t y t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h e s e t e s t sf u l l ys h o wt h ep o t e n t i a lo fu s i n gt h e s eg r a t i n g si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s b a s e do nt h ee x t e n s i v ee x p e r i m e n t a lt e s t so nt h ep h o t o s e n s i t i v i t yo ft h ef i b e r s a n do nt h eh i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b i l i t yo ft h eg r a t i n g s ，t h em e c h a n i s m sc o n c e m e d w i t ht h ed e c a yo ft h eg r a t i n g sa n dt h ep h o t o s e n s i t i v i t yo ft h ef i b e r sw e r ef u r t h e r i n v e s t i g a t e d an o v e lt h e o r e t i c a lm o d e l ，n a m e dc a t i o n h o p p i n g ，w a sp r e s e n t e dt o a c c o u n tf o rt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，t h ev a c a n c i e s e x i s t i n g i n g e r m a n o s i l i c a t ef i b r e a r ei m p o r t a n ti n a c q u i r i n gah i g hd e g r e eo f p h o t o s e n s i t i v i t y ，a n dt h ec a t i o n sh o p p i n ga w a yf r o mt h eo r i g i n a ll o c a l i z e dp o s i t i o n s d u r i n gu v e m i s s i o ne x p o s u r ea l er e s p o n s i b l ef o rt h ec h a n g e si nt h er e f r a c t i v ei n d e x b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fc a t i o n h o p p i n gm o d e la n dt h es oc a l l e da g i n g d e c a ym o d e l ，ac a t i o n o r i e n t e dt r a pd i s t r i b u t i o n m o d e li sc o n s t r u c t e da n du s e dt o s i m u l a t et h ed e c a yp r o p e r t i e so ft h eg r a t i n g sd u r i n gh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n g ， y i e l d i n gag o o df i tt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a a na c c u r a t el i f e t i m eo ft h e s es p e c i a l l y f a b r i c a t e dg r a t i n g so p e r a t i n gu n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r ec a l lb ep r e d i c t e db yu s i n gt h e c a t i o n o r i e n t e dt r a pd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o n a sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft h e s es t r o n gf b g sw i t hs u p e r i o rh i g ht e m p e r a t u r e s u s t a i n a b i l i t y ，h e a tf l u xm e a s u r e m e n tw a sp e r f o r m e db yu s i n gt h ef b g b a s e df i b e r o p t i cs e n s o ra n dt h ef l u o r e s c e n tl i f e t i m e - b a s e df i b e rt h e r m o m e t e r f o rac o m p a r i s o n r e s u l t st h u so b t a i n e ds h o wt h eg r e a tp r o s p e c to fu s i n gt h e s ef i b e rs e n s o r s i na c t u a l i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f b g ；p h o t o s e n s i t i v i t y ；u ve x p o s u r e ；h i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b i l i t y ； c a t i o n - h o p p i n g ；c a t i o n - o r i e n t e dt r a pd i s t r i b u t i o n 浙江大学博上学位论文 目录 第一章绪论一l 1 1 基于f b g 的温度传感器简介一l 1 2f b g 温度稳定性研究现状2 1 3 立题意义和工作目标3 1 4 论文结构3 1 5 本章小结4 参考文献。4 第二章光纤的光敏性及f b g 的温度传感原理6 2 1 光纤布喇格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n 卜f b g ) 简介6 2 2 光纤光栅历史回顾8 2 3 光纤的光敏性。9 2 3 1 光纤光敏性简介9 2 3 2 光纤光敏性的机理l0 2 3 3 增强光纤光敏性的方法1 5 2 3 4 光纤光栅的光敏类型及其热稳定性2 1 2 4f b g 的温度传感原理2 5 2 4 1 均匀布喇格光栅的反射率2 5 2 4 2f b g 对温度的敏感性。2 6 2 5 本章小结2 8 参考文献2 8 第三章传感用耐高温f b g 的研制3 4 3 1s b - e r - g e 共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制3 4 3 1 1s b - e r - g e 共掺光敏光纤的研制3 5 3 1 2s b - e r - g e 共掺石英光纤的光敏性能及写入其中的f b g 的耐高温性能测试一3 7 浙江大学博上学位论文 3 2s b g e 共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制4 1 3 3i n g e 共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制4 5 3 4b i - g e 共掺光敏光纤及其耐高温布喇格光栅的研制4 9 3 5 本章小结5 2 参考文献5 2 第四章耐高温f b g 的热衰退特性研究5 4 4 1f b g 热衰退特性研究的重要性一5 4 4 2 用于描述光栅热衰退特性的幂函数衰退模型及老化曲线模型5 4 4 2 1 幂函数衰退模型5 4 4 2 2 老化曲线模型5 7 4 3 耐高温布喇格光栅的衰退机理阳离子跳跃模型6 1 4 3 1 采用老化曲线模型对耐高温f b g 的热衰退性质分析一6 1 4 3 2f b g 耐高温性能的再分析6 3 4 3 3 阳离子跳跃模型( c a t i o n - h o p p i n gm o d e l ) 的提出6 5 4 4 基于阳离子跳跃模型的耐高温f b g 的衰退特性分析 阳离子阱式分布模型的建立与应用6 6 4 4 1 阳离子阱式分布模型的建立6 6 4 4 2 阳离子阱式分布模型对耐高温f b g 的热衰退特性的分析6 8 4 5 本章小结7 7 参考文献7 7 第五章基于耐高温f b g 的温度传感器的t 业应用7 9 5 1 用于热通量测量的传感系统的结构与性能7 9 5 1 1 基于耐高温f b g 的传感器系统7 9 5 1 2 基于t m ：y a g 晶体的荧光寿命探测的光纤测温仪系统7 9 5 2 基于耐高温f b g 的温度传感器系统对热通量的测量8 6 5 2 1 热通最测量的原理和实验配置8 6 5 2 2 实验结果与分析8 9 v 浙江人学博士学位论文 5 3 本章小结9 4 参考文献9 5 第六章总结9 6 6 1 主要研究成果回顾9 6 6 2 本论文的主要创新成果9 6 6 3 工作展望一9 7 参考文献：9 7 攻读博十学位期间发表的学术论文9 9 j $ 【谢10 0 浙江大学博上学位论文 第一章绪论 1 1 基于f b g 的温度传感器简介 1 9 7 8 年，加拿大通讯中心的h i l l 及其同事【1 】发现了光纤的光敏性，从而在光 纤内研制成了一种新型的光纤化元件，也就是所谓的光纤布喇格光栅( f b g ) ， 经f b g 衍射的光满足布喇格条件。f b g 是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空 间相位光栅，其实质是在纤芯内部形成一个窄带的滤波器或反射镜。由于入射光 经过布喇格光栅后向反射所产生的反射波在自由空间中传播的中心波长，也就是 布喇格波长，取决于光纤纤芯有效折射率和光栅周期，所以任何使这两个参数发 生改变的过程( 如应力、温度的变化) 都将引起光栅布喇格波长的漂移。因此利 用光栅布喇格波长对温度、压力、应力等特征参量的敏感性，可以将f b g 用于制 作相应的光纤光栅传感器【2 1 。基于f b g 的温度传感器就是利用f b g 的布喇格波长 受温度调制的特性而发展起来的一种波长调制型传感器，有着其它光纤温度传感 器无可比拟的优点： ( 1 ) 以波长编码来传感信号，测量的是一个绝对值，而不是用信号的幅度响 应，因此f b g 传感系统抗干扰能力强，具有很高的可靠性和稳定性。这主要体现 在：当忽略光纤中的非线性效应时，普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特 性；从本质上排除了曾长期困扰其他光纤传感器的光强起伏干扰，因为光源强度 的起伏，光纤微弯效应引起的随机光强起伏和耦合损耗等不会对传感信号的波长 特性产生影响。 ( 2 ) 光纤光栅直接写入光敏光纤的纤芯之中，不需要光纤连接器、机械装配、 研磨工艺和对准工艺，而且由于光纤光栅的写入不会改变光纤的直径，因此基于 f b g 的温度传感器非常适合应用于需要小尺寸传感探头的场合，如对人体温度分 布测量【3 】 4 1 等。 ( 3 ) 能方便地使用波分复用技术在同一根光纤中串接多个f b g 进行分布式 测量1 5 j 。 ( 4 ) 在波分或时分多参数传感应用中，只需一台仪器就可实现询址，易于制 作灵巧结构的光纤传感器网络。 浙江大学博士学位论文 由于具有上述优点，基于f b g 的温度传感器已经成为当前光纤传感器的研 究热点，并在电力i , l p t 6 】【7 j 、石油化工工业【引、核i , j k t 9 】1 1 0 1 、医学【1 u 等领域中得 到了广泛的应用。 1 2f b g 温度稳定性研究现状 由于f b g 并不是一个“永久性 结构，工作在高温下时有可能发生衰退甚 至完全消失【1 2 】1 1 3 j ，因此f b g 的高温稳定性能的强弱直接决定了基于f b g 的温 度传感器的测温范围，进而影响其应用范围。因此为了研制出具有强耐高温性能 的f b g ，从而拓宽f b g 的测温范围，有必要对各种f b g 的温度( 热) 稳定性能 进行研究。研究表明写入不同光敏光纤内的f b g 的热稳定性能相差很大。b a k e d l 4 1 等人发现写入高光敏性硼锗( b g e ) 共掺光纤中的f b g 在3 5 0 0 c 下经过几个时 就会消失，因此这种由紫外曝光法写入b g e 共掺光纤中的f b g 并不适合高温 传感应用。而普通的写入高掺锗光纤中的f b g 能够耐受的温度为6 5 0 。c ，当温 度大于7 0 0 0 c 时f b g 则会迅速衰退，在7 5 0 0 c 下经过几个小时的退火就会完全 消失【1 5 1 ，所以写入高掺锗光纤中的f b g 传感器仅适合温度范围适中的传感应用。 1 9 9 5 年d o n g 等人【1 6 】，采用化学气相沉积法将少量的锡元素( s n ) 掺入了含磷 ( p ) 的石英光纤或含锗石英光纤中研制出了一种新型的光敏光纤。他们对这种 掺杂光纤的光敏性及写入其中的f b g 的高温稳定性进行了测试，他们发现写入 这种s n g e p 共掺光纤中的f b g 具有良好的耐高温性能，在8 0 0 0 c 下退火几个 小时后，才会完全消失。这一结果表明了s n 的掺杂不仅能使光纤原有的光敏性 得到增强，而且由s n g e 共掺光敏光纤制作而成的f b g 比写入高掺g e 光纤中 的f b g 具有更强的耐高温性能。但是在往s n g e 共掺光敏光纤中写入光栅的过 程中发现，要经过约3 0 分钟的紫外曝光才能得到反射率大于9 5 的f b g ，而在 同样的实验条件下，b g e 共掺光纤只需经过1 分钟的紫外曝光就能得到反射率 大于9 9 的f b g 。因此在实际的应用过程中，写入s n g e 共掺光纤中的f b g 无 法实现大规模量产。 2 浙江大学博士学位论文 1 3 立题意义和工作目标 本研究工作的主要目标是通过新型光敏光纤的研制，制作出温度传感用耐高 温f b g ，从而提高基于f b g 的温度传感器所能测量的温度上限。其意义在于：随 着温度测量上限的提高，基于f b g 的温度传感器必然能够更广泛，更灵活地应用 到工业领域中( 如实现对高温熔炉衬里温度的测量及用于混凝土砖块的生产过程 控制) ，而且出于本身固有的优点，会给工业中的温度测量带来更大的便捷。具 体的工作步骤如下： ( 1 ) 研制出新型的高光敏光纤并在其中写入f b g 。 ( 2 ) 对所研制的f b g 进行退火实验，以测试其高温稳定性。 ( 3 ) 建立衰退机理模型对f b g 的高温衰退结果进行分析，并实现以短期实验 预测f b g 的长期稳定性。 ( 4 ) 将所研制成的耐高温f b g 应用于温度传感测量，以对其性能进行评估。 1 4 论文结构 本论文共分六章，系统性地介绍了新型耐高温f b g 的研制及其工业传感应 用。第一章为绪论，简单地介绍了基于f b g 的温度传感器的优点、f b g 的温度稳 定性研究现状以及攻读博士学位期间的工作目标和意义。第二章介绍了传感用耐 高温f b g 研制的重要理论背景，即光纤的光敏性和传感原理。第三章详细地介绍 了s b e r - g e 共掺、s b g e 共掺、i n g e 共掺、b i g e 共掺高光敏光纤的研制以及对 写入其中的f b g 的耐高温性能进行测试的工作。在第四章中，采用基于阳离子跳 跃模型的拟合方法对写入s b g e 共掺、b i g e 共掺光纤中的耐高温f b g 的高温衰退 特性进行了准确的分析和预测。第五章详细地介绍了采用基于耐高温f b g 的温度 传感系统对介质内的热通量进行测量的工作。第六章对所研究的工作进行了总 结，并给出了进一步的工作设想。 3 浙江大学博上学位论文 1 5 本章小结 本章简单地介绍了基于f b g 温度传感系统的优点、f b g 温度稳定性研究现状 及攻读博士学位期间所做工作的目标、意义，最后还对本论文的结构作了简要的 介绍。 参考文献 【1 】k o h i l l ，y f u j i i ，d c j o h n s o n ，a n db s k a w a s a l d ，“p h o t o s e n s i t i v i t yi no p t i c a lf i b r e w a v e g u i d e s ：a p p l i c a t i o nt o r e f l e c t i o nf i l t e rf a b r i c a t i o n ，”a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，3 2 ， p p 6 4 7 6 4 9 ( 1 9 7 8 ) 【2 】 y j r a o ，“r e c e n tp r o g r e s si na p p l i c a t i o n so fi n f i b r eb m g gg r a t i n gs e n s o r s ，”o p t i c sa n d l a s e r si ne n g i n e e r i n g , 31 ，p p 2 9 7 3 2 4 ( 19 9 9 ) 【3 】y j r a o ，d j w e b b ，d a j a c k s o n ，“i n f i b e rb r a g g - g r a t i n gt e m p e r a t u r e s e n s o rs y s t e m f o rm e d i c a la p p l i c a t i o n s ，”j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ，1 5 ，p p 7 7 9 - 7 8 5 ( 1 9 9 7 ) 【4 】d j w e b b ，y j r a o ，m w h a t h a w a y ，“m e d i c a lt e m p e r a t u r ep r o f i l em o n i t o r i n gu s i n g m u l t i p l e x e df i b r eb r a g gg r a t i n g s ，”s p i e ，3 5 4 1 ，p p 2 5 6 2 6 2 ( 19 9 8 ) 【5 】m a d a v i s ，a d k e r s e y ，“m a t c h e d - f i b e ri n t e r r o g a t i o nt e c h n i q u ef o rf i b e rb r a g g g r a t i n ga r r a y s ，e l e c t r o n i c sl e r e r ，”31 ，p p 8 2 2 - 8 2 5 ( 19 9 5 ) 【6 】 j t e u n i s s e n ，c h e l m i g ，d p e i e r , “f i b e rb r a g gg r a t i n g sf o rt h e r m a lh - v t r a n s f o r m e r o n l i n e - m o n i t o r i n g ，”s p i e ，4 1 8 5 ，p p 3 8 - 4 1 ( 2 0 0 0 ) 【7 】n m t h e u n e ，m m i l e r , h h e a s e h ，“i n v e s t i g a t i o no fs t a t o rc o i la n dt e m p e r a t u r e so n h i g hv o l t a g e i n s i d e l a r g e p o w e rg e n e r a t o r sv i au s eo ff i b e rb r a g gg r a t i n g s ，” p r o c e e d i n g so f i e e es e n s o r , 1 ，p p l 6 0 3 - 1 6 0 7 ( 2 0 0 2 ) 【8 】a d k e r s e y ，“o p t i c a lf i b e rs e n s o r sf o rd o w n w e l lm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s i nt h e o i l & g a si n d u s t r y ，s 【9 】p n i a y ，p b e m a g e ， f i b e r s ，a g a i n s t ) - r a y p p l 3 5 0 1 3 5 2 ( 1 9 9 4 ) 1 - o o 浙江大学博上学位论文 一一 【1 0 i 【1 1 】 1 2 】 【1 3 】 【1 4 】 【1 5 】 【1 6 】 a f f e r n a n d e z , a g u s a r o v ，b b r i c h a r d ， l o n g - t e r mr a d i a t i o ne f f e c t so n f i b r eb r a g g g r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s o r si n al o wf l u xn u c l e a rr e a c t o r ，m e a s u r es c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，1 5 ，p p l 5 0 6 1 5 11 ( 2 0 0 4 ) j d w e b b ，m w h a t h a w a y ，d a j a c k s o n ，“f i r s ti n v i v ot r i a l so faf i b e rb r a g g g r a t i n gb a s e dt e m p e r a t u r ep r o f i l i n gs y s t e m ，”j o u r n a lo fb i o m e d i c a lo p t i c s ，5 ，p p 4 5 5 0 ( 2 0 0 0 ) t e t s a i ，d l g r i s c o r m ，e j f r i e b e l e ，“o nt h es t r u c t u r eo fg e a s s o c i a t e dd e f e c tc e n t e r si n i r r a d i a t e dh i g hp u r i t yg e 0 2a n dg e d o p e ds i 0 2 ，d i f f u s i o na n dd e f e c td a t a , 5 3 - 5 4 ， p p 4 6 9 - 4 7 6 ( 19 8 7 ) t e t s a i ，d l g r i s c o r m ，e j f r i e b e l e ，r a d i a t i o ni n d u c e dd e f e c tc e n t e r si nh i g h - p u r i t y g e 0 2g l a s s e s j o u m a lo f a p p l i e dp h y s i c s ，6 2 ，p p 2 2 6 4 - 2 2 6 8 ( 1 9 8 7 ) s r b a k e r , h n r o u r k e ，v b a k e ra n dd g o o d c h i l d ，“t h e r m a ld e c a yo ff i b r eb r a g g g r a t i n g sw r i t t e n i nb o r o na n dg e r m a n i u mc o d o p e d s i l i c af i b r e ，”i e e ej l i g h t w a v et e c h n o l ， 1 5 ，p p l 4 7 0 - 1 4 7 7 ( 1 9 9 7 ) y s h e n ，s p a l ，j m a n d a l ，e ta l ，“i n v e s t i g a t i o n o nt h ep h o t o s e n s i t i v i t y ，t e m p e r a t u r e s u s t a i n a b i l i t ya n df l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a le r - d o p e dp h o t o s e n s i t i v ef i b r e s ”， o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s ，2 3 7 ，p p 3 0 1 3 0 8 ( 2 0 0 4 ) l d o n g ，j l c r u z , j a t u c k n o t t ，l r e e k i e ，a n dd n p a y n e ，s t r o n gp h o t o s e n s i t i v i t y g r a t i n g si nt i n d o p e dp h o s p h o s i l i c a t eo p t i c a lf i b r e s ，o p t i c sl e t t e r s ，2 0 ，p p l 9 8 2 - 1 9 8 4 ( 1 9 9 5 ) 5 浙江大学博士学位论文 第二章光纤的光敏性及f b g 的温度传感原理 2 1 光纤布喇格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n 广f b g ) 简介 自十九世纪六十年代低损耗光学光纤研制成功以来，经过四十多年的发展， 光学光纤几乎成了现代通讯网络和光学传感网络的代名词。限制光纤架构的光网 络发展的一个主要缺陷在于实现对传输信号光的调制和控制必须依赖于散立的 光学元件。这样把信号光从光波导中耦合出来并通过一个或多个分散的光学元件 以实现某些光学行为( 如光反射、衍射和滤波等) 的过程中必然会伴随着信号光 的损耗。并且把信号光耦合进出光波导不仅增加了高品质光学元件的数量，而 且通常对光学元件的位置排列具有近乎苛刻的要求，从而使一个概念上原本简单 的系统在实际中变得复杂、昂贵。因此为了在现实生活中也能够方便地从事实验 研究活动，必须用光纤等同物来替代某些分散的光学元件，如分束器或反射镜等 以减少分散的光学元件的数量，即实现光学元件的光纤化，从而尽可能的实现光 学系统的集成化、小型化，增加光学系统的便携性。光纤激光器和放大器及熔融 锥型耦合器是光学元件光纤化技术得到实现的典范。这些光纤化光学元件固有的 低损耗特性以及它们与集成光波导结构的兼容性决定了它们对整个光学一体化 系统的持续发展是必不可少的。 随着光学光纤光敏性的发现，在光纤内研制成了一种新型的光纤化元件也就 是所谓的光纤光栅。这种光学器件能够以高效率、低损耗的方式实现上述许多光 学行为如反射和滤波等。光纤光栅的出现可以说是光通信领域的一场变革，不仅 大大地促进了光通信领域的发展，而且对光纤传感领域也有极为关键的影响。光 纤光栅是一种相对简单的光学器件，其最基本的形式为纵向纤芯折射率呈周期性 调制的光学光纤( 如图2 1 所示) ，并且折射率调制的物理周期为光栅传输( 波 导传输) 波长的一半，这是由布喇格相位匹配条件决定的。光栅布喇格相位匹配 条件要求入射光与后向反射光之间必须同时满足能量守恒和动量守恒条件，从而 使入射光与光栅平面之间产生相干后向反射。能量守恒条件是指入射光频率( f ) 和后向光纤布喇格光栅的频率( ，) 相同。动量守恒条件则要求入射波矢 小反 射波矢( 助及光栅波矢( 的必须满足： 6 浙江人学博上学位论文 电+ k = ( 2 - 1 ) 其中光栅波矢k = 23 r a ( 人为光栅的折射率调制周期) ，方向垂直于光栅平面。 而后向反射波矢与入射波矢大小相等方向相反。因此( 2 一1 ) 式可化为： 2 t 2 万n e # ) = 警 ( 2 - 2 ) 化简上式可得一阶布喇格条件： 如= 2 人 ( 2 - 3 ) b r o g gg r c r f i n g i n d e xr n o d u l o t t o n w o v e l e n g l h f i g 2 1i l l u s t r a t i o no fau n i f o r m b r a g gg r a t i n g w i t hac o n s t a n ti n d e xm o d u l a t i o n a m p l i t u d ea n dp e d o d a l s os h o w na r et h ei n c i d e n t ，d i f f r a c t e d ，a n dg r a t i n gw a v ev e c t o r s t h a tm a t c hm o m e n t u mc o n s e r v a t i o n ( a f t e r ：【1 】) 图2 1 折射率调制幅度和周期都为常数的均匀光纤布喇格光栅示意图。入射光波矢， 衍射光波欠和光栅波矢满足动量守恒定纠1 】 其中，布喇格光栅波长乃为入射光经过布喇格光栅发生后向反射所产生的反射 波在自由空间中传播的中心波长，坳表示布喇格波长为如时光纤纤芯的有效折 射率。 7 浙江大学博士学位论文 2 2 光纤光栅历史回顾 1 9 7 8 年，加拿大通讯中心的h i l l 及其同事【2 儿3 】在高掺锗的石英光纤中首次发 现了光纤的光敏性。为了研究掺锗的石英光纤光纤的非线性光学效应，他们把氩 离子激光器输出的高功率可见光导入光纤纤芯，并发现经过长时间的曝光，光纤 的损耗增大了，而且后向反射光随着曝光时间的延长显著增强，最后几乎所有的 入射光都从光纤中后向反射出去。光谱测量证实了反射率的增大是由于在l 米长 的光纤中形成了永久性的光致折射率光栅，就是后来所谓的“h i l l 光栅 。这一