（光学工程专业论文）光纤光栅动态应力和折射率传感研究.pdf

浙江大学博士学位论文 于两姜 本论文的研究内容主要围绕于光纤光栅动态测量和折射率传感及其相关的 应用。近年来，随着光纤光栅研究的快速发展，光纤光栅传感也从最开始的简单 的温度应力传感向更高精度的传感和更大范围的传感应用这两个方向发展。本文 从光纤光栅的基本理论出发，对光纤光栅在动态应力的高精度测量以及光纤光栅 传感应用的扩展方面进行了详细的理论和实验研究。研究的主要内容如下： 提出了基于分层法的随机应力分布的重构算法。模拟并分析了不均匀应力对 光纤光栅光谱的影响。从光纤光栅分层法出发，设计了时域截断和离散矩阵法的 应力重构算法。这两种算法均准确地实现了随机应力分布的重构。 设计并实验验证了高精度的动念应力测量系统。以悬臂梁的自由振动为实验 对象，分别以d w d m 和温控光纤光栅为滤波器，测量悬臂梁的谐振谱，并将其 与传统的振动测量方法进行了比较。结果表明该传感系统高精度地实现了振动的 测量。 将光纤光栅应用于激光溶血栓的实验过程监视。理论分析了激光在溶血栓过 程中的物理现象，提出了以光纤光栅测量冲击波方式来监视激光溶血栓过程的方 法。通过实验室模拟超声波实验验证了传感系统的有效性。在动物模拟实验中测 量并分析了光纤光栅在不同实验条件下的冲击波响应。分析结果表明该传感系统 能够实现激光溶血栓的实验过程监视。 设计了相移光纤光栅并实现了温度不敏感的折射率测量。分别以环氧树脂法 和三层溶液法制作了相移光纤光栅。从制作的相移光栅的特性出发，设计了两种 折射率解调方案。以蔗糖折射率溶液为研究对象，两种解调方案均实现了与温度 无关的折射率测量。 设计了基于光纤激光器的高精度折射率测量系统。分析了相移在光纤激光器 中的作用，同时作为对有源激光导致的温度不稳定的补偿，讨论激光输出波长差 与折射率的对应关系。设计了实验解调系统，理论论证该传感方式的高精度测量。 关键词：光纤光栅、动态应力、冲击波、折射率、应力重构、有源光纤光栅 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o na r ef o c u so nf b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) s e n s o r sf o rt h es t r a i na n dr e f r a c t i v ei n d e x ，a n dt h e i re x t e n s i v e a p p l i c a t i o n t h e r e s e a r c h e so ff b gs e n s o rh a v e b e e na t t r a c t i v ei nr e c e n ty e a r s ，f r o mb a s i cm e a s u r e m e n t f o rs t r a i na n dt e m p e r a t u r e ，a n de x t e n d i n gt oh i g h e rr e s o l u t i o nm e a s u r e m e n ta n dw i d e r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nt h et h e s i s ，t h eb a s i cc o n c e p ti sf i r s t l yi n t r o d u c e d f o rh i g h r e s o l u t i o na n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ea d v a n c e dr e s e a r c h e r so ff b gm e a s u r e m e n ta r e p r e s e n t e da sf o l l o w i n g ： t h er e c o n s t r u c t i o nf o ra r b i t r a r ys t a i nd i s t r i b u t i o no ff b gi sp r e s e n t e di nc h a p t e r3 b a s e do nt h ec o n c e p to fl a y e rp e e l i n g ，t w oa l g o r i t h m s ，w h i c ha r es i g n a lc u t o f fm e t h o d a n dd i s c r e t em a t r i xm e t h o d ，a l ed e v e l o p e da n da p p l i e di na r b i t r a r ys t a i nd i s t r i b u t i o n b a s e do nd w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) a n dt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e df b g d e m o d u l a t i o n ，t w oh i g h ed y n a m i cr e s o l u t i o nr e s o l u t i o ns e n s i n gs y s t e m s a r ep r e s e n t e di nc h a p t e r4 c o m p a r i n gt ot h ec l a s s i cv i b r a t i o ns e n s o r , c a p i l i t ya n d r e s o l u t i o no ff b gs e n s o ra r ee x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e di nv i b r a t i o nm e a s u r e m e n to f c a n t i l e v e r t h ea p p l i c a t i o nf o rp r o c e s sm o n i t o ri nl a s e rt h r o m b o l y s i si sd e m o n s t r a t e di n c h a p t e r5 t h es e n s i n gp a r a m e t e ri nl a s e rt h r o m b o l y s i si ss h o c k w a v ei n d u c e db yl a s e r i 1 1 r a d i a t i n gi nb l o o d w i t ht h el a b o r a t o r i a le x p e r i m e n ta n dv i t r oe x p e r i m e n t ，t h ef b g s e n s i n gs y s t e mi sv e r i f i e dt ob ea v a i l a b l ei np r o c e s sm o n i t o r i n g t h ep h a s es h i f tf b gf o rr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n ti sd e m o n s t r a t e di nc h a p t e r6 t h ep h a s es h i f tf b gi sp a r t i a l l ye t c h e db yh fs o l u t i o nw h i l et h er e s ti sp r o t e c t e d w l m w a v e l e n g t hd i f f e r e n c eo rr e f l e c t e dp o w e rd e m o d u l a t i o n ，t h ep h a s es h i f tf b gp r e s e n t s c h a r a c t e r i z a t i o no f t e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v i t yi nr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t ar e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rb a s e do nd f b ( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) f i b e rl a s e rf o r i i 浙江大学博士学位论文 u l t r a h i g hr e s o l u t i o nm e a s u r e m e mi sd e s i g n e di nc h a p t e r7 c o m p e n s a t i n gt o t h e t e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fa c t i v ef b g ；t h ew a v e l e n g t hd i f f e r e n c ed e m o d u l a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a v e l e n g t hd i f f e r e n c ea n d r e f r a c t i v ei n d e x i sa n a l y z e d t h eu l t r a h i g hr e s o l u t i o ni st h e o r e t i c a l l yv e r i f i e d k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，d y n a m i cs t r a i n ，s h o c kw a v e ，r e f r a c t i v ei n d e x ，s t r a i n r e c o n s t r u c t i o n ，g a i n e d i i i 浙江大学博士学位论文 第一章绪论弟一早三百。了匕 随着2 0 世纪末2 1 世纪初光纤通信产业的兴起和蓬勃发展，人们对通信要求 的进一步提高，不断促进着光纤器件的发展和革新。在这样的背景下，作为光纤 系统中的“光学镜片”，光纤光栅技术得到极大的关注并取得不断进展的。光纤光栅 是利用光照、刻蚀等方式在光纤中形成的折射率分布。通过这种折射率分布使在 光纤中传输的光发生耦合，实现了光纤中光的反射、损耗等控制。利用这种特性， 光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域得到了重大的应用。 光纤b r a g g 光栅的发现和特性研究最早在1 9 7 8 年。加拿大通信研究中心的h i l l 等人在进行光纤非线性效应研究时首次观察到在掺锗光敏光纤中形成的光纤光栅 i l l 。通过两束强激光在掺锗光纤中干涉形成驻波，干涉驻波强度的周期性分布引起 了光敏光纤的折射率的周期性分布，形成光纤光栅。利用驻波法制作的光纤光栅 具有很窄的反射带宽f 小于2 0 0 m h z ) ，而反射率高达9 0 。但是由于制作方法只能 制作b r a g g 波长与写入波长相同的光纤光栅，很难得到广泛的实际应用。 直到1 9 8 8 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e t l z 等人利用两束干涉的 紫外光在光纤侧面形成干涉条纹曝光写入光纤光栅，光纤光栅的制作取得了突破 性进展，使光纤光栅写入效率大大提高 2 1 。该方法还可以通过改变写入光束的夹角 实现b r a g g 波长的可选择性，但是这种全息写入法对激光器的相干性要求比较高， 对光路的稳定性要求也很严格。1 9 9 3 年，h i l l 等人在此基础上发展出了利用相位 掩模版法写入光纤光栅的技术，利用激光通过相位掩模版形成的士l 级衍射光干涉 形成的干涉条纹写入光纤光栅【3 1 。相位掩模技术极大地放宽了对光源的要求，使光 纤光栅的大批量生产成为可能，大大地推动了光纤光栅的发展。相位掩模版法是 当前最成熟和最简化的光纤光栅写入技术。 1 9 9 6 年a m v e r g s a r k a r 等人利用相位掩模版法成功地制作出了另外一种重要 1 浙江大学博士学位论文 的光纤光栅一长周期光纤光栅【4 1 。经过不断的研究和发展，在b r a g g 光纤光栅和长 周期光纤光栅基础上研制出了各种特殊结构的光纤光栅，如啁啾光纤光栅5 1 ，高斯 光纤光栅f 6 】倾斜光纤光栅【7 1 ，切趾光纤光栅【8 1 ，相移光纤光栅【9 1 ，超结构光纤光 栅【9 1 等。使光纤光栅在光纤通信和传感领域得到进一步广泛的应用。 1 1 光纤光栅的分类及其应用 1 1 1 光纤光栅的分类 经过多年的发展，已经有多种用途不同的光纤光栅被研制开发出来。根据它 们的不同周期、制作方式、以及波导结构进行如下分类。 1 ) 从光纤光栅的周期分类，主要分为短周期光纤光栅( b r a g g 光纤光栅) 和长周 期光纤光栅。通常的b r a g g 光纤光栅的周期大约在5 0 0 n m 左右，在这种周期的折 射率调制的耦合中，符合相位匹配条件的光被反向耦合到反射光中，表现为满足 b r a g g 条件的光被反射，而其他光被透射。反射光谱宽为几百p m 。长周期光纤光 栅的周期一般从几十微米到几百微米不等。在进行耦合时，满足耦合条件的光从 基模耦合到包层膜，表现为满足相位匹配条件的光被损耗，其他光通过，损耗谱 宽度为几个h i l l 。 2 ) 从光纤光栅的波导结构分类，可以分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。均 匀光纤光栅是相位连续分布，折射率调制均匀分布的光纤光栅，这种光纤光栅的 一阶耦合模光谱在中心波长两侧接近对称分布，是比较常见的光纤光栅。非均匀 光纤光栅主要是由于相位分布或者折射率调制深度不均引起的。非均匀光纤光栅 又可以分为啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、切趾光纤光栅、超结构光纤光栅、倾 斜光纤光栅以及根据特定需求合成的折射率分布或相移分布无规则的光纤光栅。 啁啾光纤光栅是指光纤光栅的折射率调制沿光纤长度逐渐变化形成的光纤光 2 浙江大学博士学位论文 栅，这种光纤光栅展宽了光纤光栅的反射谱或者损耗谱；相移光纤光栅是指光纤 折射率调制在某一位置突然变化产生相移的光纤光栅，相移光栅的特点是在透射 谱中间打开一个窗口，使一部分在没有相移的情况下被损耗的光能够通过；切趾 光纤光栅是指光栅的折射率调制深度从中间向两侧衰减的光栅，按照折射率的衰 减方式还可以分为高斯切趾光栅和升余弦切趾光栅等，光栅切趾的主要作用是边 模抑制；超结构光纤光栅是指光栅由多个独立的光栅组合而成，各光栅在空间结 构上可以是有空隙或者是相互叠加，超结构光栅的各个光栅的光谱一般也是独立 的，当光栅的光谱问隔相同时，也称为采样光栅；闪耀光栅的折射率条纹和光栅 轴向呈小于9 0 度的角度，闪耀光栅使一部分光能量耦合到辐射模，降低了光栅条 纹可见度；另外根据实际的传感和通信需要的透射谱或者反射谱，可以设计和制 作出各种非均匀光纤光栅。一般而言闪耀光纤光栅和切趾光纤光栅是短周期光纤 光栅。 3 1 按照制作方式分为i 型光纤光栅、i i 型光纤光栅和i i i 型光纤光栅。i 型光纤 光栅利用连续紫外光或者低能量脉冲紫外光制作而成【l l 】，其折射率调制深度较低 ( 1 0 弓) ，由于写入光能量较低，因此原来的光学结构保持比较完整，具有比较理想 的光学特性，是目前常见的光纤光栅。但是该光纤光栅温度稳定性差，通常需要 进行退火处理。i i 类光纤光栅是利用高能紫外脉冲在高掺锗光纤的纤芯中破坏性的 写入光纤光栅【l o 】，这样形成的光纤光栅的折射率调制比较深( 1 0 。) ，而且具有很好 的稳定性，但是由于写入过程中破坏了光纤的结构，产生了模式泄漏。i i i 型光纤 光栅是在i 型光栅形成后再次曝光，形成的光栅温度稳定性良好介于i 型和i i 型之 间，而且仍然能够保持相对i i 型光纤光栅较好的光学性能【1 1 】。 另外，除了可以利用紫外光法制作的光纤光栅，还有氢氟酸腐蚀【12 1 、c 0 2 激 光刻蚀【1 3 】等方式刻蚀形成长周期光纤光栅。 3 浙江大学博士学位论文 1 1 2 光纤光栅的应用 随着光纤光栅技术的发展和进步，光纤光栅的诸多优点，如光纤可兼容、熔 接损耗小、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰、可埋入等，得到了充分体现和利用， 促使着光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域的应用不断地深入和拓展。 1 ) 光纤光栅在光纤通信领域的应用【1 6 1 。作为光通信系统的波长可选“反射镜”， 光纤光栅的灵活应用为全光网络的发展和实现创造了良好的条件。经过多年的努 力，光纤光栅已经被广泛应用于光纤通信系统中，并起着越来越重要的作用。光 纤光栅在通信中的应用主要是作为光纤滤波器、色散补偿器、波分复用器以及增 益均衡器等。 作为光纤滤波器件，当信号光入射到光纤光栅中时，满足相位条件的信号光 根据波长被反射或者被耦合到包层膜中，从透射光来看，一部分信号光被滤除， 其他信号光通过【i ，i4 ，4 1 5 1 。人们已经提出了多种方式调谐光纤光栅的周期，通过控 制滤波的波长，实现可控光滤波功能。 短周期光纤光栅的色散补偿功能通常是利用啁啾光纤光栅的反射位置的不同 5 , 1 6 】，将光纤中红移的光对应的b r a g g 光栅放在入射端，光纤中蓝移的光对应的 b r a g g 光栅放在出射端，使波长蓝移的光通过较长的光路。获得的反射光就是色散 补偿过的信号光。长周期光纤光栅利用包层模的再次耦合也可以实现色散补偿1 7 1 ， 但是结构比较复杂，实际应用难度比较大。 以两个b r a g g 光纤光栅作为m z i 干涉仪的两臂，利用b r a g g 光纤光栅的波长 选择特性，在输出端获得符合相位条件的b r a g g 波长的信号光，实现光的波分复 用和解复用【1 8 】。相移长周期光纤光栅取代b r a g g 光纤光栅实现光插分复用是一种 新型的概念f 2 l 】，利用相移产生的透射峰实现了无需光环形器的信道波长上下路选 择。 4 浙江大学博士学位论文 e d f a 在光纤通信中起着至关重要的作用，为实现高性能的光纤通信，需要对 e d f a 的增益谱进行增益平坦。增益均衡器是长周期光纤光栅的光纤通信中最重要 的应用u 9 1 ，根据e d f a 的增益谱，设计出对应的光纤光栅损耗谱，信号光通过光 纤光栅的损耗后，消除了e d f a 带来的增益不平坦。同样地，利用一系列的b r a g g 光纤光栅也可实现增益均衡【2 0 1 ，光纤光栅的反射形成了放大器的损耗谱线。 除了上述几种应用外，光纤光栅还可以作为光纤激光器的反射镜【2 4 1 、r f 信号 载波器【2 1 1 、光纤耦合器【2 2 】、光开关1 2 3 1 等在光纤通信中得到应用。 2 ) 光纤光栅在光纤传感领域的应用【2 4 ，2 5 1 。由于光纤光栅的体积小、抗腐蚀、抗 干扰和分布式测量等优点使其成为在传感领域的一支新秀。光纤光栅直接对温度 和应变敏感，长周期光纤光栅还直接对折射率敏感。通过腐蚀、涂敷等手段，光 纤光栅实现了对温度、应变、压力、折射率、湿度、电流等诸多参量的测量，在 建筑监测、地震监测、油气监测以及生物传感等方面得到了广泛的应用。 光纤光栅对温度的敏感主要是由光纤的热折变效应和热膨胀效应引起的。 b r a g g 光纤光栅对温度的响应为： 筹砌人卜吉鱼d t ) ( 1 _ 1 ) 刀i聆j 7 其中a 是光纤的热膨胀系数；a 、兀1 、n 分别代表了光纤光栅的波长，温度，光 栅周期，折射率；d 2 和刀分别表示波长差和温度差。对于普通b r a g g 光纤光栅温 度灵敏度大约为1 3 p m 。c 1 2 6 1 ，其中热折变效应占据了整体温度响应的9 5 。长周 期光纤光栅的温度响应为： d 九d 丸 d t d ( n c o - n d )( 鲤鱼) + a 石d 2z 1 历d l d t d t ( 1 - 2 ) ijd 人三刀 ” 式中刀和恸分别表示了光纤中相互耦合的基模和包层模的折射率，l 为光栅长度。 在标准的通信光纤中，长周期光纤光栅的温度敏感度大约为0 0 3 n m 。c 至 o 1 n m 。c t 2 7 1 。由于温度作为测量环境中不可避免的因素，除了温度传感器外，大 5 浙江大学博士学位论文 部分光纤光栅传感器都需要温度补偿。经过对光纤光栅解调技术和光栅封装技术 的不断研究，已经发展出了多种温度不敏感和温度补偿的光纤光栅传感器。 应力对光纤材料的拉伸和压缩同样引起了光纤光栅的波长的变化。对b r a g g 光纤光栅，应力引起的波长漂移为： d d l g 2 n a 1 _ 争分讹。塥) ) 心3 ， d gi2l “、1 1 “刊i 式中出表示应力变化；p 门和尸，为p o c k e l 系数，表示光纤的压光效应；v 为p o i s s o n 系数。对于b r a g g 光纤光栅，应力灵敏度大约为1 1 5 p m g e l 2 6 1 。长周期光纤光栅的 应力灵敏度为 d 丸d ；l d e d ( - - n c l )f 孥一孕1 + 人癸( 1 - 4 ) d d s d s1人 在长周期光纤光栅中，光栅周期对应力灵敏度有很大的影响，当光栅周期从3 4 0 m m 减少到4 0 m m 时，传感器灵敏度从0 0 4 p r n l x e - f g 缂n 2 2 p r n l x e 3 2 1 。 当待测折射率介质对光纤光栅中光波导的有效折射率产生影响时，光纤光栅 可以实现折射率的测量。由于b r a g g 光纤光栅的光模式耦合发生在基模和基模之 间，而基模的模场半径远远小于光纤包层半径，因此b r a g g 光纤光栅半径需要经 过腐蚀到接近模场半径才能实现折射率的传感【2 8 1 。而长周期光纤光栅的模式耦合 发生在基模和包层模之间，包层模的模场半径大于光纤半径，因此长周期光纤光 栅直接对外界折射率敏感【2 9 】。同样，长周期光纤光栅也可以通过腐蚀增加折射率 敏感度【3 0 l 。由于外界折射率对光纤模式的影响是非线性的，因此光纤光栅的折射 率响应也是非线性的。 1 2 光纤光栅动态应力测量的研究进展 光纤光栅的测量方式有动态和静态两种。当光纤光栅测量的参量随时间缓慢 变化时，可以采用采样频率很低的静态测量方式，如温度和静态应力测量等。而 6 浙江大学博士学位论文 当参量快速变化时，需要快速记录参量的变化，此时需要应用动态测量方式，光 纤光栅动态测量中最常见和最重要的是动态应力测量 3 1 , 3 2 1 。为实现高精度高频率的 动态应力测量，发展出了多种动态应力的解调方式，主要分为波长解调方式和强 度解调方式。其中波长解调方式通常应用到干涉仪，又称干涉解调法；强度解调 方式是最常用的解调方式，主要有光纤f p 解调法，边缘滤波法，可调谐激光器法， 匹配光栅法等。 典型的波长解调方式是m a t h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r 解调干涉方式。根据不同 的光源又有宽带光源m z i 解调方式和光纤激光器m z i 解调方式，其结构如图1 1 所示。利用m z i 解调b r a g g 反射光的波长变化获得动态应力的传感，测量精度取 决于反射光的线宽和噪声限制。由于采用非平衡m z i 解调方式需要引入光程差， 最大的光程差对应于线宽的倒数，当采用宽带光源作为激光器时，由于线宽对应 光纤光栅谱宽，光程差很短，动态测量精度在采用温度补偿和不采用温度补偿的 情况时在l o o h z 的应力频率带宽下分别为6 n e h z l 陀 3 8 1 和0 6 n c h z 抛 3 3 1 。当采用光 纤激光器作为传感器件时，由于线宽的压缩，精度得到大幅度的提高，在7 k h z 的应力带宽下，采用1 0 0 m 的光程差，测量精度达到了5 6 f h z l 尼【3 4 1 。该精度是所 有动态应力解调系统中最高的。 图1 - 1 基于m a c h z e h n d e r 解调方式的光纤光栅动态应力传感系统 基于f f p 腔的解调方式可以直接应用于多光纤光栅复用的传感系统f 3 5 】，解调 7 浙江大学博士学位论文 结构如图1 2 所示。f f p 解调方式是通过周期锯齿波的电压驱动压电陶瓷改变f f p 腔长，不同的腔长在自由光谱范围内对应于一个唯一的透射波长。当利用驱动电 压连续地改变f f p 腔长时，f f p 实现了自由光谱范围内的扫描，因此f f p 解调方 式类似于o s a 解调方式。尽管f f p 的扫描速度远远高于o s a 的扫描速度，但一 般也只是在1 0 0 h z 左右，因此该方法的测量频率和精度往往较低，而且测量精度 也比较低，通常在2 1 j z 左右，对应的动态精度大约在0 3 1 a i z 忱。 图1 - 2 基了：f f p 扫描解调方式的光纤光栅动态应力传感系统 可调谐激光器法通过反馈调整l d 激光器的波长使其锁定在光纤光栅光谱的 光谱范围内【3 6 1 ，利用多模l d 激光器可以实现多个f b g 的复用，动态应力的解调 可以分别通过测量反射激光的光强或者激光的频谱展宽实现，测量实验结构如图 1 3 所示。当使用光强测量动态应力时，由于多模激光反馈机制导入的强噪声，动 态测量光强解调方式的测量精度比较低，只有0 6 1 a z h z m 。通过解调激光频谱展宽 的方式可以获得比较高的精度，在2 0 0 h z 的应力带宽下达到了3 3 n e h z 抛。可调激 光器解调方式的特点是噪声低，精度高，但是可测量范围比较窄。适合于动态范 围小的动态应力测量。 8 浙江大学博士学位论文 图l 一3 基于司调谐激光器光源的光纤光栅动态席力传感系统 边缘滤波法是利用一个光学器件作为光纤光栅反射光的线性滤波器，通过测 量滤波后的光强获得b r a g g 波长的反射光。典型的实验结构如图1 - 4 所示。现在已 有多种光学器件作为线性滤波器，包括长周期光纤光栅【3 7 1 ，d w d m t 3 引，光纤光栅 3 9 1 等。对传感系统而言，在其他条件相同的情况下，滤波器的线性斜率越大，传 感精度越高，对应地，滤波器可用带宽越小，动态测量范围也越小。目前精度最 高的线性滤波器是光纤光栅，该滤波器的带宽大约为0 1 n m ，动态精度可以达到 0 6 n e h z 抛。 图1 4 基于边缘滤波方式的光纤光栅动态应力传感系统 匹配光栅法是直接利用两个相同的光纤光栅作为传感器件和解调器件【4 0 】，传 感系统的结构如图1 5 所示。传感器的反射光被匹配光纤光栅再次反射，通过测量 再次反射光强得到传感器上的动态应力。这种方式的成本比较低，但是获得的光 强信号和b r a g g 波长漂移的关系是非线性的，需要获得两个光栅的光谱形状并进 9 浙江大学博士学位论文 行逆卷积后才能获得波长的变化。 图1 - 5 基】+ 匹配光栅法的光纤光栅动态应力传感系统 目前最新的研究是高精度的高频动态应力的测量，主要是应用于超声传感中。 在超声传感器中，由于光纤光栅对压力的响应非常弱，通常只有3 p m m p a h ，而 且超声频率非常高，测量要求从几十k h z 到几十m h z 不等，这就对光纤光栅传 感系统的精度和实时响应提出了更高要求。为实现高精度的动态测量，通常的宽 带光源已经很难满足要求，为此低噪声的窄线宽激光器成了传感系统的首选。随 着光纤激光器的不断发展，利用窄线宽，高稳定性的光纤激光作为传感器件实现 高精度动态测量已经得到实现。目前可应用于光纤光栅超声传感的传感器主要有 d f b 光纤激光器传感器【4 2 1 ，d b r 光纤激光器传感器【4 3 1 ，以及光纤光栅f p 传感器 【矧。传感系统大致结构如图1 - 6 所示。 1 0 浙江大学博士学位论文 图1 - 6 基于光纤激光器的光纤光栅动态庇力传感系统 ( a ) d f b 结构传感器；( b ) d b r 结构传感器；( c ) f p 结构传感器 d f b 和d b r 超声波传感器是主动器件，其结构如图1 - 6 ( ab ) 所示。d f b 激光 器是在一段掺杂增益介质上刻写相移光纤光栅实现的，因此具有比较小的器件长 度。而d b r 激光器则是在掺杂增益介质的两端分别写上相同的光纤光栅形成激光 谐振腔，相对于d f b 激光器，这种激光器的制作工艺相对比较简单，相应的激光 器长度也比较长。理论上两种激光器均能获得小于1 k h z 的窄线宽激光输出。利用 m z i 干涉解调法直接解调输出激光的频率变化，d f b 传感器在超声波引起的动态 位移测量中达到3 f m h z 拢( 4 7 0 k h z 带宽) 的传感精度。在d b r 传感器在水下的超 声波测量中，由动态应力引起的双折射效应使输出的不同偏振态的激光具有不同 光频率，采用频谱仪测量输出激光的频差，对1 0 m h z 超声信号传感时获得了1 6 4 d b r e g p a 的声压传感精度。 1 1 浙江大学博士学位论文 光纤光栅f p 传感器的解调通过测量采用激光p o u n dd r e v e rh a l l 锁频时对谐振 腔微小振动的相位补偿，实现了谐振腔振动的测量。在激光p o u n dd r e v e rh a l l 锁 频技术中，利用光电转换器测量腔长变化导致的激光输出的改变，通过转换获得 对应的补偿相移量，将相移量加载到泵浦光的相位调制器上，实现了激光的稳定 输出。利用光纤光栅f p 传感器进行超声传感时，信号光的通过f p 腔的变化可以 通过p o u n dd r e v e rh a l l 进行补偿，根据补偿的相位量获得对应的光纤光栅f p 腔的 微小变化量。在光纤光栅f p 传感器中，同样需要采用窄线宽激光器作为光源，利 用1 m h z 线宽的激光器，理论估计的动态压应力精度为2 w j i - i z 抛( 1 2 5 m 带宽) 。 1 3 光纤光栅折射率测量的研究进展 由于小体积、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，光纤光栅在化学、生物、医学传 感中有着很大的应用前景。对于很多化学和生物传感中，传感参数的变化可以通 过介质转化为折射率变化，如盐度、d n a 浓度等。光纤光栅应用于折射率传感主 要有两种方式，分别是光纤光栅作为传感辅助器件和光纤光栅直接作为传感器件。 光纤光栅由于其反射的功能，可作为腔镜应用于光纤激光器折射率传感【4 5 j 或 者光纤光栅f p 腔 4 6 1 的折射率传感中。光纤光栅作为激光器的腔镜时，通过测定与 激光器中折射率相关的参数，如激光起振时间等，获得对应的折射率。而光纤光 栅作为f p 腔的反射器件时，折射率和f p 有效腔长相关，因此测量f p 腔的谐振波 长就对应了折射率的变化。 而光纤光栅本身作为传感器，由于模场半径的限制不能直接实现折射率传感， 但是通常可以通过腐蚀以减少光纤包层半径使其对折射率敏感。不同的腐蚀深度 导致了不同的传感方式，不同腐蚀方式得到的光纤结构如图1 7 所示。 1 2 浙 t 大学博士学位论文 i 二 一1 l i e = = = = = = ! 。i 剖i 一7 光纤光栅腐蚀方止。划中城t 端为光纤轴向示意削，其r 山光纤横截衙，h 伯l 冉3 神 鸠蚀方a 腐蚀渫度砒浅：b ：脯蚀到接近纤芯；c ：包膳完全腐蚀升外始腐蚀纤，墨 专光纤光栅埘蚀深度比较饯时，光纤光栅的基模不竖外界折射率影响，而且 由十光纤包甚半径足够犬，低阶的包层谐振模式受的影响很小，此时光纤结构如 用i - 7 ( 曲所月i 。腐蚀过程中，包层谐振模先于基模受到外界折射率的影响，因此可 l l 通过检删逢荆的包层损耗模的波长变化获得外界折射率的变化h 7 4 8 1 。高阶模式 的相何匹配条件为 = f + ) ( 1 。5 ) 式叶1 衷不包层模的阶数。由f 包层膜有效折射率对外界折射率的变化非常敏感， 腐蚀椿度越深，阶数越高，波长对折射率的敏感度就越强这种方式其有比较高 的传感精度，笫3 阶包层谐振模的传感精度达到1 7 2 i i m r i u 。醵传感器的特点足 有比较高的机械强艘，但是浚传感方式需要探测高阶透射谱的中心波长，波分复 蚪】能力受 j 了限制。 随着光纤光栅的腐蚀深度逐渐加人，光纤光栅的基模宵教折射率受到外界折 浙江大学博士学位论文 射率的调制，因此光纤中的基模耦合受外界折射率影响，此时反射的b r a g g 光谱 反映了外界折射率的变化。这种方式获得的精度一般比较小，仅仅为几个n m r i u 。 根据不同的腐蚀结构分为全腐蚀、半腐蚀和部分腐蚀，分别对应于图1 - 7 ( b ) 中的3 种情况。全腐蚀是通过整体腐蚀光纤光栅，通过检测光纤光栅的b r a g g 波长漂移 求其折射率的变化【2 引。半腐蚀的方式是腐蚀一半光纤光栅，保留另一半不被腐蚀 4 9 , 5 0 1 。在进行折射率传感时，光纤光栅出现光谱分析现象，分离的光谱分别表示 未腐蚀和腐蚀部分的光纤光栅光谱。由于未腐蚀部分光谱不受光纤光栅折射率变 化的影响，因此这段光纤仅仅对温度敏感，而腐蚀部分光纤光栅同时对温度和折 射率敏感。这种半腐蚀方式可以用作温度补偿。部分腐蚀方式制作的光纤光栅折 射率传感器的反射光谱表现为相移光纤光栅光谱，其折射率变化量对应于反射光 谱的相移量【5 1 1 。利用相移光纤光栅本身的特性，也可以实现温度的不敏感测量。 这种光纤光栅传感器具有波分复用能力较强的特点，更加有利于实际的工程应用。 当光纤光栅被腐蚀到纤芯时，其波导结构发生突变，由原有的外界溶液，光 纤包层和纤芯三层结构变为外界折射率和纤芯两层结构，光纤结构如图1 - 7 ( c ) 所 示，此时光纤的损耗急剧变大，但光纤光栅仍然能够保持基模之间的模式耦合， 同时光纤光栅的折射率传感精度得到快速提高，实验【5 2 】中获得的最高传感精度高 达1 3 9 4 n m r i u 。同时由于光纤本身的机械强度变得极为脆弱以及光纤的模式损耗， 不能实现光纤光栅的折射率传感的复用。光纤光栅由于半径极小而且精度极高， 比较适合于探针式折射率传感，在生物细胞传感方面有独特的应用。 1 4 本论文研究内容以及研究成果 1 4 1 研究内容 本论文从光纤光栅基础理论出发，深入研究了光纤光栅动态测量技术，并将 其应用于实际的激光溶血栓的动态监测过程中。同时，在相移光纤光栅的折射率 1 4 浙江大学博士学位论文 传感方面也做了一些实验和理论方面的研究工作。本论文主要的内容有： 第一章介绍了本论文研究的对象和背景。简要介绍光纤光栅的历史，分类和 应用，以及光纤光栅在动态应力传感和折射率传感的发展现状。 第二章主要说明了光纤光栅传感的理论基础。从耦合模理论模型出发，推导 出了均匀光纤光栅的反射谱的解析方程。利用解析方程分析了光纤光栅的一些光 学特性。对于不均匀光纤光栅，分别介绍了采用传输矩阵法和薄膜叠加法获取光 纤光栅反射谱的方式，并比较了两者之问的优缺点。 第三章的主要内容是光纤光栅内的不均匀应力重构。首先介绍了离散传输矩 阵的方式，通过和传统的传输矩阵的比较，验证了离散传输矩阵的可行性。然后 引入了用于分析光学散射的分层思想，将其应用动态应力重构中。通过结合离散 矩阵和分层算法，研究了两种可应用于动态应力传感的重构算法。 第四章的研究对象是光纤光栅动态应力传感。动态应力传感的实验对象是悬 臂梁和简支梁结构。本章中首先简单介绍了动态应力的基本概念以及光纤光栅滤 波解调的基本思路。根据不同的滤波器选择，设计了两种不同的光纤光栅动态应 力滤波解调方案。采用了加速度传感器作为参考测量，通过实验的详细分析，结 果表明两种动态应力传感方案均能够很好地实现动态应力测量。 第五章介绍了应用于激光溶血栓监控的光纤光栅冲击波传感器研究，这部分 工作是在闩本滨松光子株式会社中央研究所完成的。由于血液对激光波长的强吸 收，在激光溶血栓过程中发生了冲击波。通过测量冲击波的大小和形式，可以估 算出激光溶血栓的过程。本章首先分析了激光致气泡冲击波的产生的原理及其表 现形式。然后介绍了应用于冲击波传感的传感器系统。经过预备实验和试管实验， 表明该传感系统具有临床应用的可行性。 第六章是光纤光栅折射率传感器的设计和传感应用。首先根据光纤光栅结构 的折射率敏感特性，模拟和分析了光纤光栅折射率传感的表现形式。设计并制作 1 5 浙江大学博士学位论文 了相移光纤光栅并应用于折射率传感。通过对折射率传感结果的分析，表明该光 纤光栅的波长解调具有温度不敏感的特性。本章还在无源光纤光栅折射率传感的 基础上，设计了有源光纤光栅折射率传感器。通过理论分析，表明该光纤光栅折 射率传感器具有超高精度的特点。 第七章总结了本论文的研究内容并展望了以后的研究方向。 1 4 2 研究成果以及创新点 本论文的研究成果以及创新点如下： 1 首次将以往用于光纤光栅设计的分层思想扩展应用到光纤光栅非均匀应力 传感的重构中。根据分层思想，设计了两种应力重构方式，在光纤光栅反射光的 时域和频域上进行重构，获得了光纤光栅上的应力重构。实现了高精度和快速的 应力重构。重构精度分别达到1 0 0 9 j m m 和1 0 “s m m 。 2 应用了基于d w d m 和光纤光栅解调的动态应力测量解调方式，在实验中 实现了基于悬臂梁的动态应力测量中两种方式的高精度的动态应力测量，动态测 量精度分别达到2 4 5 n e i - i z l 忍和o 6 7 n e a - i z 地。该精度的量级基本上达到了光纤光栅 滤波解调系统的极限。 3 首次将f b g 应用于激光溶血栓的监测。利用窄线宽l d 激光器作为光源， 采用边缘滤波的方式，实现了高精度的冲击波测量。将其应用于激光溶血栓治疗 的过程监测中，验证了该传感系统的可行性。 4 利用自行设计和制作的装置腐蚀相移光纤光栅，实现了与温度无关的折射率 测量。该折射率传感系统采用波长差的方式实现了温度的自补偿，在密集复用折 射率传感方案中有潜在的应用价值。 5 提出了基于d f b 光纤激光器的与温度无关折射率传感方案，理论分析了相 移对有源光纤光栅激光器波长的影响。根据这一理论模型分析，该方案的折射率 传感精度可达1 0 ，这在目前众多的折射率传感理论分析中属于较高的精度水平。 1 6 浙江大学博士学位论文 第二章光纤光栅理论基础 作为光波导的一种，光纤光栅中的光传播可以从麦克斯韦方程开始，利用折 射率微扰求得光纤光栅的波导模式，得到光纤光栅的耦合模方程。利用耦合模理 论可以直接获得均匀光纤光栅中的前向和后向光模式耦合的解析解，因此耦合模 理论是分析光纤光栅中光传播规律的基础。对于复杂结构的光纤光栅，如啁啾光 纤光栅，相移光纤光栅，采样光纤光栅以及其它不规则折射率分布的光纤光栅等， 往往很难直接利用耦合模方程获得解析解。为分析复杂结构的光纤光栅，人们提 出了多种不同的理论分析方法，如传输矩阵法，多层膜叠加法等方法，实现了对 复杂光纤光栅的数值模拟。 2 1 光纤光栅中的折射率调制 光纤光栅从光学结构上讲是光纤中的周期分布的折射率调制。引起光纤光栅 的折射率调制的光栅刻写方式有激光驻波法【l 】1 ，紫外光刻法【2 1 ，光纤微刻蚀法【1 3 , 1 2 】 等。由于紫外光刻法的稳定性以及可大规模生产的特性，通常情况下，传感用的 光纤光栅是利用紫外光刻法获得的。在紫外光刻法中，由于相位掩模版的衍射作 用，紫外光的士1 级衍射光在光纤上形成了周期性的光强度分布，利用紫外光对光 敏光纤的光致折射率变化效应，形成光纤上的折射率调制。这种周期性的折射率 分布剁可以用下式表示【6 】： ( z ) = n e f f + 万( z ) = + a n 砀y f ( z ) ( 1 + u c 。s ( 罢z + 矽( z ) ) ) ( 2 - 1 ) 其中坳是光纤的有效折射率；锄。制是光纤光栅中的折射率调制分布；了玎谚是光 纤光栅的平均折射率调制，通常在l o 。5 到1 0 4 量级；，劲是光纤光栅平均折射率调 制的包络函数；1 ，是光栅的条纹可见度，大小为o 1 ，1 ，越大，光栅调制的强度越 强；a 为光栅的周期；纠表示了光纤的相位啁啾，对均匀光纤光栅9 纠= o 。不同 形式的相位啁啾和包络函数表示了各种不同的复杂结构的光纤光栅。 1 7 浙江大学博士学位论文 表2 - 1 光纤光栅按照折射率调制方式的分类 光纤光栅类型 相位喟啾p 俐包结自数俐 均q 光纤光栅 口r z j = c俐= 1 相移光纤光栅( 光栅位 p 甜= 棚十c + 2 肌2 = “，耐= ， 置厶相穆 p 倒- c 均匀啁啾光纤光栅 p 白= a + ck = c o n s l a n t胞j _ 1 高斯切趾光纤光栅 p 俐- c “4 = e 。p ( 4 i l n 2 1 f w h m a ) 升余弦切趾光纤光栅 p 甜= cf ( z ) - i + c o s ( r c z f w h m ) 1 2 在袁2l 中简单列举了一些非均匀结构的光纤光栅及其对应的相位啊瞅和包 络函数。表中l 为光栅总长度，f w h m ( f u l l w i d t ha t l - l a l f m a x i m u m ) ：麦示了切趾函 数的半高全宽度。 22 相位匹配条件 一，2 二十_ - 巧 矿一 时2 - i 光栅衍射小意幽 和平而光栅类似，光纤光栅也可以应用光栅衍射理论分析光模式的相位匹配 条件。如图2 - 1 所示，对入射角为自，的光线，经光栅衍射后得到的各级衍射极大 值的角度，有如f 光栅力程【5 3 1 ： hs i