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m 激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 摘要 本文在对比了多种长周期光纤光栅( l p f g ) 的制各方法的基础上，着重针对c 0 2 激光 对称烧写方法制备l p f g 进行了实验研究。实验发现，此种方法制备的l p f g 与其他 l p f g 在传感特性方面的差异主要表现在弯曲敏感度、偏振相关损耗和温度敏感度等方 面。本文的目的是通过理论计算与实验结果的分析，研究c o ：激光对称烧写方法的成栅 机理；实验得到此种l p f g 的弯曲敏感度和温度敏感度以完善其传感参数；并对其特殊 的传感特性给出较为合理的理论解释。 本论文实现和完善了c 0 2 激光对称烧写方法制备l p f g 的实验方法。实验中，能够 实现s l e d 光源范围内f 1 4 0 0 n m 1 6 0 0 n m ) 任意位置光栅的写入，并可以通过控制写入外 加拉力、激光占空比和脉冲个数等调节光栅的插入损耗和峰值宽度。利用残余应力释放 的原理解释了在不外加形变拉力的情况下制备l p f g 的成栅原理，完善c 0 2 激光对称烧 写方法制备l p f g 的制备理论。测量了c 0 2 激光对称烧写方法制备l p f g 的弯曲特性和 高温特性。通过弯曲特性的测量发现与c 0 2 激光单面写入l p f g 相比，对称烧写方法制 备l p f g 的弯曲敏感性对方向的依赖性小，在o 3 m 1 的弯曲范围内波长漂移均小于 4 n m ，不存在某一特殊的温度敏感方向。通过高温特性测量发现l p f g 在由8 5 0 c 加热 至1 0 5 0 。c 的过程中，谐振损耗峰幅值随温度的增加快速减小，直至谐振峰完全消失，光 栅被永久性抹除。通过与其他方法写入的光栅比较，我们认为，不产生物理形变、完全 依靠残余应力释放实现的光栅效应是以上特性的合理解释。升温过程中，随着激光写入 点以外的部分光纤内部应力的释放，c 0 2 激光束写入对光纤造成的平均调制率下降，表 现为光栅效应逐渐减小。最终，随着应力释放接近写入强度，光栅效应基本消失。本论 文的工作为l p f g 器件在光纤通信和光纤传感技术中的广泛应用的奠定了基础。 关键词：长周期光纤光栅，模式耦合理论，残余应力释放，弯曲特性，高温特性 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo nl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n gf a b r i c a t e dw i t hc 0 2l a s e rs y m m e t r i c w r i t i n gm e t h o d a b s t r a c t s e v e r a lm e t h o d so fl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f o ) f a b r i c a t i o ni sd i s c u s s e d ，a n dt h e m e t h o do f “t h r e ef o c u s e dc 0 2l a s e rb e a ms y m m e 廿i c a lw r i t i n g i se m p h a s i z e da m o n gt h e m e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h el p f gi sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h el p f gw r i t t e nw i t ho t h e r m e t h o d si nt h es e n s i t i v i t yo fc u r v e ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s sa n ds e n s i t i v i t yo ft e m p e r a t u r e b a s e do nt h et h e o r yc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d y t h ea n t h o rt r i e st os t u d yt h em e c h a n i s m o ft h et h r e ef o c u s e dc 0 2l a s e rb e a ms y m m e t r i c a lw r i t i n gm e t h o d ，t oo b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fb e n d i n g ，s e n s i t i v i t yo ft e m p e r a t u r ea n dt oe x p l a i nt h es p e c i a ls e n s i n gc h a r a c t e r s o ft h e l p f gi nt h e o r y i nt h i st h e s i s a ni m p r o v e dm e t h o df o rl p f gs y m m e t r i c a lw r i t i n gi sc a r r i e do u t aw i d e r a n g eo fr e s o n a n c ew a v e l e n g t h ( 1 4 0 0 n m - 1 6 0 0 n m ) c a nb er e a l i z e db yc o n t r o l l i n gt h ew r i t i n g p a r a m e t e r s t h es e n s i t i v i t y o fb e n d i n ga n dt e m p e r a t u r ei nh i g ht e m p e r a t u r er a n g ea r e m e a s u r e d ，t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h es e n s i t i v i t yo fb e n d i n gi si n s e n s i t i v et ot h eb e n d i n g d i r e c t i o na n dt h er e s o n a n ta m p l i t u d ea t t e n u a t e sa st h et e m p e r a t u r er i s i n go v e r8 5 0 t h e r e s o n a n t1 0 s sa m p l i t u d ec o m p l e t e l yv a n i s h e sw h e nt h et e m p e r a t u r eo v e r1 0 5 0 n e s t r e s s r e l e a s et h e o r ya n a l y s i sp r o v e st h a tt h es t r e s si nt h eo p t i c a lf i b e rw i l lb er e l e a s e dw h e n t h eu f gi sh e a t e du pt ot h ea r m e a lt e m p e r a t u r eo ft h es i l i c a 百a s s ，w h i c hr e s u l t si nt h e e r a s i n go ft h er e f l e c t i v ei n d e xm o d u l a t i o n t h i sw o r kw i l lb es t e m m i n gt ot h es e n s i n ga n d c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o no ft h el p f gi nf u t u r e k e yw o r d s ：l o n gp e r i o d f i b e rg r a t i n g ； c o u p l e d - m o d et h e o r y ；r e s i d u a ls t r e s s r e l a x a t i o n ；c h a r a c t e ro fc u r v e ； c h a r a c t e ro fh i g ht e m p e r a t u r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蛭日期：岫 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 匐鲤鱼 导师签名：尘i 盔丝 2 丝年月监 c o z 激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 1 绪论 回顾2 0 世纪，光纤通讯成为人类在自然科学领域取得的最具革命性的技术成就之 一，它成为了现代通讯中主要的支柱。光纤通讯技术为我们身处的社会提供了高速信息 化的可能。光纤通讯与传统的电缆通讯及发展中的无线信息交换系统共同构建了当今信 息传输系统的基础。而光纤通讯以其在高速大容量信息传输方面的巨大优势和潜力，受 到了世界范围内广泛的关注，发展速度惊人。特别是近十年来，遍布全球的光纤传输网 络构成了现代的全球信息高速公路，发展前景巨大。 在日益成熟的光纤通讯技术的推动下，光纤传感技术也得到迅速发展。在人类社会 已步入信息时代的今天，传感器处于研究对象和测控系统的接口位置，其地位与作用尤 为重要，成为当今社会的重要技术基础。而光纤光栅作为一种新兴的光纤器件，在光纤 通讯和光纤传感方面都有着重要的应用。所谓光纤光栅是在光纤纤芯中构成周期性的折 射率变化而形成光栅效应将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。它是通过 波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在 纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透 射和反射光谱。由于光栅直接制作于光纤的纤芯上，可以方便的嵌入到光纤通讯系统、 激光器和传感器中，具有选频特性好、性能稳定、功能丰富、与光纤系统兼容性好、插 入损耗小等优点1 1 “j 。 1 1 光纤光栅在光纤通信和光纤传感中的应用 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人【3 】首次观察到掺锗光纤中光诱导引发光 栅的效应，利用4 8 8 n m 氩离子激光器在掺锗光纤上制造出第一只布拉格光纤光栅。但 由于当时所用的方法写入效率低，并且光栅周期完全取决于入射光的波长，因此当时并 未引起人们的广泛关注。光纤光栅的研究度过了相对沉寂的十年。直到1 9 8 9 年，美国 哈特福德联合技术研究中心的g m e l t z 等人【4 l 用2 4 4 n m 紫外光束全息曝光法成功地制成 了光纤光栅，克服了驻波干涉法的缺点。从而在世界范围内掀起了光纤光栅的研究高潮。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人1 5 】又首次提出利用相位掩模板方法，使f b g 的制作效率大幅度提 高。相位掩模板方法目前已成为制作光纤光栅最常用的方法，能够形成光纤光栅的批量 生产，可以大大的降低传感器的成本。同年，l d o n g 等人1 6 ) 提出了准分子激光单脉冲 在线写入法。光纤光栅制作方法的成熟极大的推动了光纤光栅应用技术的发展，使得光 纤光栅己成为目前晟有发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一， 1 1 1 光纤通讯领域 大连理工大学硕士学位论文 光纤通讯由于具有宽频带、低损耗和小失真等优点，在当今全球通讯领域的地位与 影响与日俱增。随着光纤通信的迅猛发展，迫切需要将各种光学器件集成化、微型化， 以及全光纤化【”。而光纤光栅技术对于全光纤器件的制作和发展起着十分重要作用，因 为它能与光纤通信系统直接相容。由于光纤光栅器件易于与光纤连接，对偏振不敏感， 在光纤通信中与其他光波导器件相比有着明显的优势。光纤光栅具有优良的选频和色散 特性，可用来构成w d m 系统网络中大量关键元部件，而且光纤型结构可大大地降低 这类部件的插入损耗。光纤光栅由于其本身的光学特性，可应用于几乎所有光通信元器 件，所以基于光纤光栅的各类器件的研究开发，将会极大地推动光纤通信技术的发展， 己成为当今光通信领域的研究热点。 1 1 2 光纤传感领域 光纤不仅可以作为光波的传播媒体，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参数 ( 振幅、相位、偏振态等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等等) 的 作用而间接或直接地发生变化p 一，从而可将光纤作为传感器件来探测各种物理量。光 纤传感技术就是一种以光为信息载体，光纤为介质，感知和传输外界信号的传感技术。 根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调 制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。与传统的传感器相 比，光纤光栅传感器的主要特点有：抗电磁干扰，点绝缘，耐腐蚀，本质安全，灵敏度 高：重量轻，体积小，外形可变；便于复用，便于成网，能对沿光纤连续分布的环境信 息参量进行以定位，便于实现大范围的连续监测【。而光纤光栅传感器技术的发展和实 用化的进程随着通信领域应用需求的推动而大大加快，光纤光栅的制造技术日趋成熟和 可靠，这些因素促进了光纤光栅的成批量生产的出现，也使光纤光栅传感器的制作成本 大幅下降。 光纤光栅传感器具有广泛应用，尤其是在大型民用工程建筑( 大桥，大坝、高层建筑 物) 中用来监测压力、温度、应力、应变对建筑物的影响。加拿大多伦多大学航空研究 院光纤灵巧结构实验室和安大略d o w n s v i e w 的e l e a r o p h o t o n i c s 公司将他们研制成功的 光纤b r a g g 光栅传感器及其解调系统用于测量1 9 9 3 年建成通车的加拿大b c d d i n g t o n t r a i l 大桥的应力。( 该桥是世界上第一座采用碳纤维复合材料预应力加强筋的高速公路 桥) 。美国国家宇航局( n a s a ) 也计划采用光纤光栅传感器监铡用石墨环氧树脂复合材 料制作的航天器液体燃料箱的结构完整性，并已进行了初步实验。1 9 9 8 年，欧盟发达国 家联合成立了一个“混凝土结构性能评估集成监测系统”项目，光纤健康监测可使系统 的运行费用降低1 0 2 0 。i n a u d i 及他们的小组到在1 9 9 2 至2 0 0 1 年内共在桥梁，水 0 晚激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 坝，隧道，发电站等7 0 多个不同场合成功安装了约1 5 0 0 个光纤传感器，用于检测结构 的应力、应变、振动、损伤和裂缝等或者进行大型结构的健康监测，其中9 5 以上都 达到了预期的设计功能i l “。 1 2 长周期光纤光栅概述 1 2 1 长周期光纤光栅的发展 按照光栅周期的不同，可将其分类为短周期光纤光栅，长周期光纤光栅，啁啾光纤 光栅，变耦合系数光栅等。其中短周期光纤光栅与长周期光纤光栅的光栅周期是恒定值。 短周期光纤光栅的光栅周期为纳米量级，工作机理为不同方向传输模式间的耦合；长周 期光纤光栅的光栅周期为百微米量级，工作机理为同方向之间传播模式之间的耦合。长 周期光纤光栅问世以来，以其背向散射低，插入损耗小，与偏振无关，体积小等特点倍 受人们的关注【1 2 l 。 m a r c u s e 、c t s a o 1 4 】和a l l a ns n y d e r 1 5 】在早期对光纤的模场有了较为全面的阐述， 对耦合模方程进行研究。e r d o g a n 等人【1 “o ”采用更为合理的三层光纤模型，通过耦合模 理论，对长周期光纤光栅的模式耦合和光谱特性进行了深入的研究，并给出了长周期光 纤光栅的透射率、交叉耦合率、谐振波长、峰值损耗、带宽、耦合常数等一些描述长周 期光纤光栅特性的基本公式，基本完善了长周期光纤光栅的理论分析。c t s a o 1 8 】对三层 光纤模型的模式进行分析，提出了一套求解包层模有效折射率的色散方程。h j p a t r i c k 等人【1 9 运用模式耦合理论详细分析了长周期光纤光栅损耗峰的谐振波长和幅值随外部 环境折射率的变化，认为这种变化与光栅周期有关。k s c h i a n g 等人【”l 研究了长周期 光纤光栅与包层直径、外部环境折射率之间的关系，并建立了光栅谐振波长与包层直径、 外部环境折射率的关系模型。y o o n c hj e o n g 提出了近似模方法计算光纤光栅的导模与包 层模的模式耦合上，方法简易，误差较小，但对非均匀光栅的耦合的计算上误差较大。 y a h e ik o y a m a d a 提出了三层模型的方法计算导模和辐射模的耦合。另外传输矩阵法，也 是一种用分段传输矩阵分析长周期光纤光栅传输特性的常用方法1 2 12 2 2 ”。 随着长周期光纤光栅理论研究的进一步展开，其制备方法也逐渐多样化。应用较多 的主要有掩模法【2 4 】、逐点写入法f 2 52 6 1 、微透镜列阵法【2 7 】、光纤刻槽拉伸法【2 8 】。其中， 逐点写入法是利用精密机构控制光纤的移动，每隔一个周期曝光次，通过控制光纤移 动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截 面可以任意进行设计制作。理论上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，但是写入 光束必须聚焦到很密集的一点。基于会聚光斑尺寸才限制，这一技术主要适用于长周期 光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。目前，由于 大连理工大学硕士学位论文 各种精密移动平台的研制，这种方法正在越来越多的被使用。本文中光栅的制备即采用 了此种方法。 1 2 2 近年来国内外的研究进展 近年来，在国外对l p f g 的研究多集中于开拓l p f g 应用领域和新型光栅制备机理的 实验研究。在新型应用领域，j u nk b a e 和s a n gh k i m 等人【2 9 】提出了利用两分离加热 器环绕长周期光纤光栅实现可调谐带阻滤波器应用于掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益 平坦。装置原理如图1 1 。其最大可调谐范围达至l j 3 5 n m 。韩国科学技术学院的y o u n g g e u n 图1 1 环绕弹簧实现l p f g 调制的装置简图 f i g 1 1e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rt u n i n gal p f gw i t hac o i l e ds p r i n g h a n ，j uh a nl e e 等人【3 0 】实验完成了利用相移长周期光纤光栅实现弯曲和温度的同时测 量；y o u n gg e u nh a r t ，s a n gb a el e e ，c h a n gs e o kk i m ，a n dm y u n gy u n gj e o n g 3 1 将基于 l p f g 的电压调制光分插复用器应用于结构简单的波分复用系统。b a c h i mb lo g u n s o l a o o ，g a y l o r dt k 【3 2 】研究利用l p f g 直接制备于光纤上并具有多路波长选择特性的优势 实现基于c 0 2 激光写入l p f g 的光纤一波导耦合器，并在实验中介绍了l p f g 取代电子器 件，成为芯片级、组装级互连器的具体原理和方法。m k u l i s h o v j a z a f i a 等人1 3 3 】对长 周期光纤光栅应用为皮秒或亚皮秒超快速光学微分器的可行性进行了细致论证。i d e l v i l l a r ，i r m a t l a s ，f j a r e g u i ，m a c h a e r a n d i o l 3 4 】利用多层波导的模式耦合方程求解 纳米析镀形成涂敷层对纤芯和包层有效折射率的影响，介绍了特定涂敷厚度可以使光栅 谐振峰消失的实验现象并加以分析。 0 0 2 激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 图1 2 紫外飞秒激光束写入l p f g 装置简图 f i g 1 2e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rl p f gf a b r i c a t e db yu v f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s 在新型光栅制备机理方面，爱尔兰科克大学a l e x e yi k a l a c h e v ，v i n c e n tp u r e u r , d a v i d n n i k o g o s y a n 等) k t 3 5 】尝试利用2 6 4 n m 高强度( 5 0 0g w c m 2 ) 飞秒紫外激光在普通通讯用 光敏光纤上写入了低插入损耗、窄带宽长周期光纤光栅，并对其在7 0 0 以下的温度特 性进行了测量。实验装置如图1 2 所示。c c a u c h e t e u r ，a f o t i a d i ，p m 6 9 r e t ，s a s l a t t e r y ， 和d n n i k o g o s y a n 3 6 】贝0 对高强度3 5 2 n m 飞秒激光写入 f g 的由包层吸收引起折射率调 制不均匀而导致的偏振相关特性进行了实验。r y u h y u a g s u k ，p a r k o n g w o o ，o h e o n gt a e 等人【3 7 】对非对称残余应力释放造成的偏振相关特性进行了二维轴向剖面的x 光 图1 3 螺旋型l p f g 制备装置简图 f i g 1 3 e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rh e l i c a ll p f g 断层扫描，观测到不对称应力释放的包层的影响。韩国科学技术学院的s e u n g t a eo h ， k y u n gr o kl e e 等a 1 3 8 1 尝试利用c 0 2 激光制各具有螺旋性结构的长周期光纤光栅。其轴向 折射率调制具有特殊的螺旋性结构，使之偏振相关损耗较普通单面写入光栅有所降低。 大连理工大学硕士学位论文 其实验装置如图1 3 所示。美国宾西法尼亚洲立大学的s u n g n a m ，c h u n z h a n ，j o n l e e 等人 【39 】利用电弧放电法制备了仅包含两个光栅周期的超短长周期光纤光栅，并实验观测到其 对弯曲不敏感性和良好的高温定性。如图1 4 。日本k a g a w a 大学t a k a s h iy o k o u c h i ， y o s h i f u m is u z a k i 等人【柏j 对利用机械形变法、以特殊的压迫环绕弹簧方式制备的l p f g 进 行了调谐实验。通过控制温度，可以实现谐振波长移动范围2 0 0 n m ，峰值损耗1 0 d b 。在 室温至1 2 0 范围内能够实现线性调制( 一0 4 5n m * c ) ，能够覆盖s 和c 波段，信道隔离度高。 图1 4 电弧放电制备超短l p f g $ t j 各装置简图 f i g 1 4e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rl p f gf a b r i c a t e db ye l e c t r i ca g em e t h o d 在国内，研究的方向更加偏重于对光栅相关理论的完善，对光栅实用技术的改进。 各研究单位的研究重点各有侧重。中国科学院上海光学精密机械研究所针对l p f g 的相 关理论推倒进行了细致研究。高侃，方祖捷1 4 1 】分析了长周期光纤光栅中纤芯模和包层模 之间的马赫曾德尔干涉效应导致在长周期光纤光栅谐振峰内的梳状滤波结构特性，对串 联的长周期光纤光栅的透射谱和温度特性进行了实验观测。得到对应于1 5 5 4n l n 波长处。 所用单模光纤h e l 4 模的波导色散因子? 为0 8 7 4 ，纤芯包层有效折射率差的热光系数为 4 8 x 1 0 5 。c 。并对这- - n 试方法和结果，以及长周期光纤光栅的应用进行了讨论。他们 结合长周期光纤光栅的传输特性，利用传输矩阵法对多种长周期莫尔光栅的透 射谱进行了理论模拟 4 ”。分析结果表明，莫尔光栅技术在制作高性能的相移 长周期光栅和变迹长周期光栅上有着很好的应用前景。他们还与张自嘉、施文康 合作【4 3 1 ，对研究了长周期光纤光栅在沉积金属包层前后谐振波长的变化规律分析了金 属包层光纤的特点，给出了金属包层光纤包层模的本征方程，并给出了求解方法。高侃， 方祖捷与罗爱乎【州对长周期光纤光栅和双锥形光纤之间的倏逝波耦合作用进行了研究。 研究表明长周期光纤光栅产生的包层模，可以耦合到锥形光纤的包层模并从锥形光纤的 纤芯输出，为利用锥形光纤和长周期光纤光栅开发新型光纤器件，提供了种可能的方 c 0 2 激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 案。何慧灵等人i4 5 】完成了单长周期光栅迈克耳孙干涉仪的特性研究。通过理论计算分 析了各种因素对其光谱响应的影响。从实验上得到了干涉光谱的谐振峰波长位移与光纤 段温度变化成良好的线性关系。重庆大学饶云江，王义平等人利用高频c 0 2 激光写入 l p f g 。针对此种光栅，比较详尽的分析了其应变、温度、弯曲、扭曲和横向负载 特性【“。在弯曲特性方面，运用模式耦合理论分析了长周期光纤光栅的弯曲特性。 得出了该特性与光纤归一化频率和模式的阶数有关的结论，并运用等效倾斜光栅理论合 理解释了弯曲长周期光纤光栅耦合峰幅值的变化特性1 4 7 。提出基于高频c 0 2 写入l p f g 的对弯曲不敏感的长周期光纤光栅传感器【48 1 ，扭曲传感器【4 9 】、可调增益均衡器【s o l 、实 现横向负载和温度的同时测量的单长周期光纤光栅传感器【5 1 】、动态横向负载传感器【5 2 1 ， 掺铒光纤放大器【5 3 】。南开大学现代光学研究所刘波，陈少华，董孝义，赵启大等人对l p f g 的应用领域进行拓展，主要工作包括：利用l p f g 增益平坦实现室温下稳定的多波长掺 铒光纤激光器的研究1 5 4 j ；设计了基于级联长周期光纤光栅温度传感器理论上得到级联 l p f g 的干涉峰位置和消光比将随温度呈现线性变化，实验利用一千涉峰的中心波长和 消光比测量温度变化，测量灵敏度分别达n o 0 3 5 3n l r g 。c 和0 0 6 8 4d b 。c t 5 引。实验得到了 在输出端加入光纤环形镜可以使级联长周期光栅干涉谱的消光比提高为原来两倍。实 验验证了长周期光纤光栅边沿滤波线性解调的方法，实现了在5 n m 范围内的波长线性解 调测量波长分辨极限0 0 0 2 n m ，解调速度k h z 量级 5 7 1 。北京交通大学光波技术研究所简 水生、李彬、裴丽、童治等人采用m a t l a b 软件对实用的s m f2 8 单模光纤加以特定的光栅 折射率调制参数进行数值计算 5 8 1 ；研究了封装对长周期光纤光栅的影响，实验实现了使 光栅波长的温度系数不大于5 1 1 0 3 n m k 的负热胀系数的材料用于封装【5 9 】；提出了 将l p f g 应用为有机聚合物高速电光调制器、可调谐光滤波器、动态增益平坦滤波器等 “ “”。大连理工大学于清旭、宋世德、关寿华等人针对单面写a l p f g 偏振相关损耗大、 对弯曲方向敏感性强的不足，提出了高频c 0 2 三束对称聚焦烧写制备l p f g 的方法。实验 中，对此种光栅的传感相关参数温度、应力、弯曲、轴向负载、偏振相关损耗等逐一 进行了测试，得到了三束对称聚焦烧写制备l p f g 对弯曲方向不敏感、偏振损耗低的应 用特性1 6 3 , 6 4 l 。 1 3 论文的主体结构 本篇论文主要围绕着高频脉冲c 0 2 激光对称聚焦写入方法制备l p f g 展开理论分析 和实验研究。理论上，从耦合模理论出发，推倒出光栅制备的参数方程和光谱特性；实 验中，完成了多种参数l p f g 的制备，对其高温传感特性、弯曲特性、轴向应变特性进 行实验测定。本文具体结构如下： 大连理工大学硕士学位论文 第一章：绪论。介绍了光纤光栅，特别是l p f g 的发展概况和国内外理论与应用的 最新进展。 第二章：l p f g 的理论分析。推导得出相位匹配条件、功率转换系数和峰值损耗的 表达式。 第三章：l p f g 的制备。介绍实验室制备对称聚焦写入l p f g 的方法。对比多种不 同参数l p f g 的差异。 第四章：l p f g 传感特性研究。对l p f g 的高温特性、弯曲方向敏感性、轴向应变 敏感性进行测量。 第五章：总结。 c 0 2 激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 光纤光栅的模式耦合理论 在制备光栅的过程中，相位匹配条件是分析光栅特性的基本公式之一，它反映了同 向模式传播常数与光栅周期的关系，是长周期光纤光栅的原理基础。下面，由微扰理论 构建下的模式耦合，推导出应用于长周期光纤光栅的相位匹配条件。 2 1 直角坐标系下的相位匹配条件 通常我们使用的光纤为弱导光纤，即其包层折射率心。与纤芯折射率n 一的差较小 ( 实际应用中，n 。较，l 一小l 左右) 。故在建模前，我们把纤芯与包层看作是介电常 数相同的均匀介质。在未写入光栅前，电磁波在其中将形成多模式的传播。而写入光栅 后，可以把介电常数的周期性变化看作使结构未受微扰的简正模发生耦合的种微扰 6 5 , 6 6 , 6 7 1 ： e ( x ，y ，z ) 葛so ( x ，y ) + ( z ，y ，z )( 2 1 1 ) 式中龟为禾受微扰时的介电张量，向a e 为所写光栅对介电张量的调制部分它沿z 方向 呈周期性变化。在未写入光栅前，光纤中所支持的光场简正模式可以表示为： e 。( x ，y ) p “一4 m 2 ( 2 1 2 1 在光纤中，此简正模满足标量波动方程 导+ o y 2+to2 , ueo 小 卜 ( 2 1 - 3 ) 由于简正模构成一个完全集，因而写入光栅前的模场可表示为简正模的线性叠加 e = 爿。e 。( x ，y ) e “一4 m2 ( 2 1 4 ) 而在光栅写入倍， 成为z 的函数，光场模式表示为 e = 4 。( z ) e 。( x ，y ) e “邓一 ( 2 1 5 ) 将上式带入波动方程 v2 + 甜2 肛l eo x ，) ，) + s ( 工，y ，z ) ) e = 0 ( 2 i 6 ) 得到 ； 萨d2 妒2 氓瓦d4 卜) e _ 峨2 大连理工大学硕士学位论文 2 一。2 卢艺6 ( 。，y ，2 ) 爿，e ，( 。，y ) e - i # j z 在弱导近似下，假设模振幅变化是缓慢的，即满足 i 等4 ；i ：l a ，( z ) e x p ( i p f z ) + 曰f ( 2 ) e x p ( - i 9 7 z ) l e f ( ，妒) e x p ( 一i w t ) ( 2 2 1 ) 其中4 ( z ) 和岛( z ) 分别为沿+ z 和一z 方向传输的第j 个光纤模式的慢变振幅，目( z ) 和 q ( r ，妒) 分别为相应模式的传输常数和横向场分布。对于长周期光纤光栅，前面已经提到， 耦合只发生在正向传导模式之间。光纤正向模式之间的耦合方程可以利用慢变振幅近似 和模式正交性得到为m l 告“卢 “丢。k k l ake 2 ( 2 2 z ) 其中 峨争n 。揣 争筹= “= ( 峨嵋一蝇) 一 如果只考虑两个模式之间的耦合，则式( 2 2 2 ) 简化为 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 0 0 2 激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 生坠：i 6r 。i ks dz ( 2 2 6 ) d 。s 一：一f 6s + i k r ( 2 2 7 ) az 其中6 = 6 ：1 ，k = 也。，r 、s 满足1 7 3 】 r ( z ) = a 。e x p ( i 6z ) s ( z ) = a 2e x p ( 一i 6z ) 解由式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 联立的方程组，考虑边界条件如下 r ( o ) 一1 ，s ( o ) = 0 则可解的功率透射谱为： 跗删i r ( l i 耐( 厕) + 觋1 s i n 2 ( 而) 功率转换系数只 只2 袁8 i n 2 ( 伊丽) 当相位失配度6 = 0 时，可得到透射光峰值损耗比为： p ，( a 。) 一s i n2 ( 七1 ) 由上式得出，长周期光纤光栅的峰值损耗是周期性变化的，它取决于光栅长度与曝 光强度。对于中弱强度的光栅( k l n 2 ，则会导致包层模式向基模的耦合 降低长周期光纤光栅的谐振峰值损耗。另一方面，通过调制写入长度也可以达到调节谐 振峰值损耗的的目的。总之在变化谐振峰值时应将以上两因素同时考虑。 8 9 0 1 2 3 z z j j j j 互 z 2 2 2 2 ( ( 2 2 2 2 ( ( r 、 r l 大连理工大学硕士学位论文 3 、长周期光纤光栅的制备 l p f g 的种类繁多，分类的方法也较多。按制备技术不同，出现了紫外光写入法， 红外飞秒激光脉冲，腐蚀刻槽法，电弧放电法，离子束注入法以及机械微弯变形法。下 文首先简要介绍这些方法的基本原理和特点。 3 1 多种制备技术的介绍 1 、紫外光写入法。这是应用最为普遍的l p f g 制备方法之一。a m v e n g s a r k a r 等 人于1 9 9 6 年在美国贝尔实验室首先用该方法写出了第一支l p f g 。这种方法的形成机理 主要是利用掺锗光纤对激光的光敏性，实验多对光纤进行载氢处理，利用氢气促进紫外 线与掺锗引起的缺陷反应以增强光敏性【7 4 1 。写入光源可选用不同波长的激光器，比如 1 9 3 n m a r f 准分子激光器 7 5 1 、1 5 7 n m 氟分子激光器【”】或者2 4 4 n m 双频m 离子激光器。 此种写入方法的优势在于写入精度高，插入损耗低。不足是成本较高，不耐高温，热稳 定性较差f 7 7 1 ，通常用低温退火的方法提高l p f g 的热稳定性【7 8 l 。 2 、腐蚀刻槽法。腐蚀刻槽法【7 9 】是利用氢氟酸腐蚀光纤形成周期性的环槽结构写入 l p f g 。该方法与其它写入法的不同在于无需激光曝光，且其折射率变化不仅发生在纤 芯而且在包层也有变化。此种方法的优点在于其对外加应力、扭矩、弯曲的敏感性强， 适于应用为应变传感器。不足是插入损耗大，波形的次峰较多，不易于解调。 3 、离子束入射法是用氦或氢离子束周期性注入到包层和纤芯，使其折射率发生周 期性改变从而在光纤中写入l p f g 。其折射率调制机理是注入的离子与玻璃中的原子核 相互作用使玻璃的密度增加，从而导致折射率增大，离子束入射导致的折射率变化仅限于 离子束能注入到玻璃的范围以内。将高能离子注入到石英玻璃中可以产生1 0 - 2 的折射率 变化。研究表明离子束注入的范围与离子束的浓度、初始能量和被入射玻璃的材料属性 等因素有关，比如5 1 m e v 的氢离子注入光纤的深度只有2 4um 【8 0 】，而2 4 m e v 的氢 离子的注入深度可达6 2 5um 1 8 l 】。f u j i m a k i 等人i 则将高能量氢离子通过金属掩模板进行 注入，在1 4 1 0 r i m 处制备出损耗峰值1 6 d b 的l p f g 。此种方法的优点在于折射率调制明 显，耐高温性能好。不足是注入过程造成的包层折射率改变较大，且存在一定的背景损 耗。 4 、机械微弯变形法【8 2 】是通过机械压力的方式使光纤发生周期性的物理微弯变形， 进而通过弹光效应使光纤轴向发生周期性的折射率调制，从而在光纤中写入l p f g 。用 该方法写入光栅时，可通过简单调节锯齿槽与光纤的夹角来改变光栅周期，从而用一个 0 幔激光对称烧写长周期光纤光栅的研究 锯齿槽就可以写入不同周期的l p f g 。由于取消压力后光纤的透射谱可恢复到初始状态， 因此可用调节锯齿槽与光纤的夹角的方法实现谐振波长可调的长周期光纤光栅，其调节 范围高达1 8 0 n m 。该方法写入的长周期光纤光栅的损耗峰幅值随施加压力的增加而增 大，但谐振波长的位置几乎不变，因此可通过调节施加压力的大小来实现损耗峰幅值可 调的长周期光纤光栅。此方法的特点是折射率调制由物理形变引起，可以简便的实现对 光栅参数的调节，但外加压力可能造成一定的偏振相关损耗，且成栅后还要持续施加恒 定的压力，使得其应用受到一些限制。 5 、电弧放电法。i nk a gh w a n g 和v i k a r p o v 等人提出了利用电弧放电使光纤发 生微弯形成长周期光纤光栅的方法。该方法是把光纤放置于一对电极之间，电极产生的 电弧放电使光纤熔融微弯变形，进而使光纤的折射率发生改变。对光纤轴向周期性电弧 放电就会使光纤折射率发生轴向周期性调制，从而在光纤中写入l p f g 。该方法简便、 容易控制，光栅周期可随意调节，还可以根据需要调整电弧电流的大小和光纤被加热的 长度来控制谱特性，而且这种方法可以应用于常规光纤，无需掺杂和载氢。高温实验表 明电弧放电写入的长周期光纤光栅具有较好的高温稳定性。电弧放电形成的光栅具有低 的插入损耗( 小于o 2 d b ) 和高的热稳定性，在8 0 0 6 c 以下性能基本保持稳定。其缺点是光 纤的机械特性有所下降。 6 、红外飞秒激光脉冲法。红外飞秒激光脉冲法i 删利用高频激光脉冲周期性辐射光 纤，使光纤局部熔化，结构产生致密性重排，产生折射率调制。k o n d o