（光学工程专业论文）光纤光栅器件及传感应用研究.pdf

浙江大学博士学位论文 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( f b g ) 和长周期光栅( l p g ) 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f b g 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 l p g 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l p g 结构、双l p g 结构、内插光纤锥多模光纤f b g 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 摘要 于f b g 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。 关键词：光纤光栅，光纤传感器，光纤光栅激光器，偏振拍频，横向压力负载，超声波， m z 干涉仪，折射率传感，同时测量，解调技术 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o rh a sb e c o m eo n eo fp r o m i s i n gs e n s i n gt e c h n o l o g i e s f i b e r g r a t i n g s e n s o r sa r eb a s e do na na b s o l u t e w a v e l e n g t hm e a s u r e m e n t ，w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e s ，e g i m m u n i t yt oe 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 ，h i g hs e n s i t i v i t y , c o m p a c ts i z e ， w a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n gc a p a b i l i t yf o rs e n s o rn e t w o r k i n g t h e ya r ew i d e l ye m p l o y e di n n u m e r o u sa r e a s ，s u c ha ss e i s m o l o g y , c i v i ls t r u c t u r e s ，a e r o s p a c es y s t e m s ，o c e a ns u r v e y , o i la n d e l e c t r i c i t yi n d u s t r y , c h e m i c a la n db i o l o g i c a li n d u s t r y , a n dm e d i c a li n s t r u m e n t i nt h i st h e s i s ，s e v e r a ln o v e lf i b e rg r a t i n g b a s e dd e v i c e sf o rs e n s i n ga p p l i c a t i o n sh a v e b e e nd e v e l o p e da n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d t h em a i nc o n t e n ta n ds o m ei n n o v a t i v e 。 a c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep h y s i c a lm o d e la n da n a l y s i sa p p r o a c hf o rf i b e rg r a t i n g sa r ei n t r o d u c e d t h e s p e c t r a lp r o p e r t i e so ff i b e rb r a g gg r a t i n g sa n dl o n gp e r i o dg r a t i n g sa r et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e d a n da n a l y z e dw i t ht h e c o u p l e dm o d et h e o r ya n dt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d t h e n ，t h e p h o t o s e n s i t i v i t ym e c h a n i s mo fo p t i c a lf i b e ra n ds e v e r a lp h o t o s e n s i t i z a t i o nt e c h n i q u e sa r e d e p i c t e di nd e t a i l s f i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o na p p r o a c h e sa n dt h ef a b r i c a t i o ns y s t e md e v e l o p e d b yo u r s e l v e sa r ef i n a l l yi n t r o d u c e d s h o r t c a v i t yf i b e rg r a t i n gl a s e r , w h i c ho p e r a t e di ns i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e ，i sa p r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rh i 曲一p e r f o r m a n c es e n s i n ga p p l i c a t i o n s b a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i so ff i b e rg r a t i n gl a s e r ，w ef i g u r eo u tt h ec o n d i t i o no ft h eg r a t i n gl a s e rf o rs i n g l em o d e o p e r a t i o n t h es h o r t c a v i t yg r a t i n gl a s e r sa r ef a b r i c a t e dw i t ho u rg r a t i n gf a b r i c a t i o np l a t f o r m t h e n ，w eu s et h ef i b e rg r a t i n gl a s e rt om e a s u r et e m p e r a t u r e ，s t r a i n ，a n dt r a n s v e r s el o a d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i b e rl a s e rs e n s o ro f f e r sh i g h e rs e n s i t i v i t yt h a nn o r m a l f b gs e n s o r s t h ef i b e r l a s e rc a na l s ob eu t i l i z e da sh y d r o p h o n et od e t e c th i g h f r e q u e n c y u l t r a s o u n df o rm e d i c a la p p l i c a t i o n s w ed e v e l o paw e t - e t c h i n gt e c h n i q u et op a r t i a l l ye t c h f i b e rc l a d d i n g t h er e l a t i o n s h i po ft h ec l a d d i n gd i a m e t e ra n df r e q u e n c y r e s p o n s eo ft h ef i b e r l a s e rh y d r o p h o n ei se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h e r ea r et w ok e yi s s u e sf o rf i b e rg r a t i n g r e f r a c t i v e - i n d e x ( r ds e n s o r s ，i e t h e s e n s i t i v i t yo fs e n s o ra n dt h ec r o s ss e n s i t i v i t yw i t ht e m p e r a t u r e t h ep r i n c i p l eo fl p gb a s e d r e f r a c t i v ei n d e xs e n s o ri sd i s c u s s e d af i b e rt a p e rs e e d e dl p gi n t e r f e r o m e t e ri s d e v e l o p e df o r h i g hs e n s i t i v e l yr im e a s u r e m e n t t od i s c r i m i n a t er ia n dt e m p e r a t u r ec r o s ss e n s i t i v i t y , w e d e m o n s t r a t et h r e en e ws c h e m e s ，i e t h es a n d w i c h e dl p gs t r u c t u r e ，t h ed u a l l p gs c h e m e a n dt h em u l t i m o d ef i b e r t a p e ri n t e r p o s e dd u a l - f b gs t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n t so nt h e s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to fr ia n dt e m p e r a t u r ea r ec a r r i e do u ta n da n a l y z e d 】 f i n a l l y , w ei n t r o d u c e da n da n a l y z e dt e c h n i q u e so ns i g n a ld e m o d u l a t i o no ff i b e rg r a t i n g s e n s o r sf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t w on o v e ls i g n a ld e m o d u l a t i o ns c h e m e sa r ed e v e l o p e d f i r s ts c h e m ei sb a s e do nt h ef i b e rg r a t i n gm i c r o w a v ep h o t o n i c f i l t e r i ti s t e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n ta n dv e r ys u i t a b l ef o rs t r a i ns e n s i n ga p p l i c a t i o n s t h es e c o n ds c h e m ei sb a s e do n t h ec h i r p e da n da p o d i z e df i b e rg r a t i n g t r i a n g u l a rf i l t e r i ti sd e m o n s t r a t e dt om e a s u r ed v n a m i c s t r a i nm o n i t o r e db yf b gs e n s o r s t h ee x p e f i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m e s o f f e rg o o dp e r f o r m a r l c e k e y w o r d ：f i b e rg r a t i n g ，o p t i cf i b e rs e n s o lf i b e rg r a t i n gl a s e r , p o l a r i z a t i o nb e a t ，t r a l l s v e r s e l o a d ，u l t r a s o u n d ，m - zi n t e r f e r o m e t e r , r e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n g ，s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t , d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e 。 浙江大学博士学位论文 1 1 研究背景及目的 第一章绪论 随着社会经济的发展和现代化程度的提高，以光纤通信和光纤传感技术为代表的信 息技术和传感技术在人们的生活中显示出越来越重要的作用。 光纤传感技术是在光纤光学和光纤通信技术发展的基础上形成的新兴技术。最初的 光纤传输损耗很大，在仪器仪表行业中，光纤最早用于短距离的光传输和图像传输。1 9 6 6 年7 月，英国标准电信研究所的英国籍华人科学家高锟( k c k a o ) 分析了玻璃光纤损 耗大的主要原因，并预言只要能设法降低玻璃中的杂质就能降低光纤传输损耗。此后大 量针对降低光纤损耗的研究成果被提出，1 9 7 9 年光纤在1 5 5 0 n m 波段的损耗已经降低到 0 2d b k m t l l 。光纤以其低损耗和大带宽等优势广泛应用于长距离通信。低损耗光纤出现 后不久，就出现了光纤传感器【2 1 。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波 在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、 应变、磁场、电场、位移等值接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物 理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以 直接测量的信号的技术。光纤传感以其灵敏度高、成本低、体积小、能埋入工程结构等 诸多优点而在航天、航海、石油化工、电力传输、核工业、医疗、科学研究等众多领域 受到越来越密切的关注并得到广泛应用。 近些年，光纤光栅制作技术引起了人们的极大兴趣【3 】。光纤光栅是利用光纤材料的光 敏性而在光纤芯层内形成的一维周期性结构，其工作原理是在满足相位匹配条件的共振 波长处模式间发生共振耦合，从而实现波长选择。光纤光栅传感器 4 j 是在光纤光栅的基 础上发展起来的一种波长调制型光学传感器。它不仅继承了普通光纤传感器的许多优 点：如不受电磁干扰、灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用 灵活、成本低、抗腐蚀、耐高温等；同时，光纤光栅传感器还有一些明显优于普通光纤 传感器的特点：如波长编码、便于复用、可构成光纤传感网络等。以光纤光栅为代表的 新型光纤传感技术的发展，使得光纤型传感探测技术得到了新的发展空间，从而引起全 世界研究人员的高度重视。 第一章绪论 1 2 光纤光栅的发展概况 1 9 7 8 年，加拿大遥信研究中心的k o h i l l 等人 5 】在醑究掺锗光纤的菲线性特性时发 现了光纤的光敏性和由此形成的光纤光栅。这种后来被称为“h i l l 光栅”的器件具有极 好的波长选择性，反射率可达9 0 以上，反射带宽可小于2 0 0 m h z ，其制作方法被称为 内部写入法( 也称驻波法) 。利用内部写入法所制作的光纤光栅共振波长等于激光器波 长，因此受到激光器波长的限制；另外需要特制的掺锗光纤，且要求掺锗量高，芯径小， 这使其实用性受到了限制，因此光纤光栅的研究在发现后的很长一段时间内进展缓慢。 1 9 8 9 年，美国东哈特福德联台技术研究中心的gm e l t z 等人【6 】利用两束黼强度相干 紫外光的干涉条纹在光纤侧面进行曝光写成了光栅。这种横向全息成栅技术可以通过选 择激光光源波长或改变两柬相干光的夹角来控制光栅的共搬波长，是光栅制作技术的一 犬突破。但是这种方法对光路的稳定要求较高，并且对激光光源的相干性要求很严格， 因此实际应用也比较困难。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人【7 l 又提出了相位掩模写入技术，利用紫外激光垂直照射相能 掩模后产生的l 级衍射条纹对光纤曝光写入光纤光栅。这种方法对激光光源的相干性 要求大大降低，同时还简化了光纤光栅的写入过程，使大规模批量生产光纤光栅成为可 能，是茸前最普遍使用的方法。黼年，斛t 贝尔实验室的p j l e m a i r e 等人1 8 】提出了 一种基于常温高压载氢的高效增敏办法，他们把光纤放入2 0 - - 7 5 0 个大气压，温度为 2 0 7 5 c 的氢气中，让氯气分子充分渗透到光纤纤芯中，然后进行紫外曝光制作光纤光 栅。这种办法可以使光纤光敏性提高1 2 个量级，现已广泛应用于掺锗石英光纤中。 这两项技术相结台，极大地降低了光纤光栅的制作成本与制作难度，从而也推动了光纤 光栅本身及其在光纤通信和传感领域的应用研究。 另一方面，周期为几十至几百微米的长周期光纤光栅虽然是近几年才出现，但它在 某些方面具有比光纤布拉格光栅更好的光学特性，因此得到了人们越来越广泛的重视。 1 9 9 6 年，a t t 贝尔实验室的v e n g s a r k a r 等人1 9 1 首次用掇幅掩模扳法制作了长周期光 纤光栅。基于同向传输模式耦合的长周期光搬具有很好的传输谱特性，它可以把纤芯基 模的能量耦合到包层模中去，从而导致相应波长的传输损耗，是理想的带阻传输型滤波 器件。此后，e r d o g a n 等人 1o 】从模式耦合角度出发，提出了研究长周期光纤光栅的理论 工具。2 0 0 1 年，饶云江等人【1 1 】用高频c 0 2 激光脉冲在普通单模光纤上写出了长周期光 栅，这种方法能在有效低成本的同时制作出高质量的长周期光纤光栅，使长周期光栅的 2 ，1 浙江大学博士学位论文 制作和应用进入了一个新的发展阶段。 1 3 光纤光栅分类及其传感应用 1 3 1 光纤光栅的分类 随着光纤光栅制作技术的不断发展以及光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的 种类也日益增多。 根据光栅周期的长短，可以把光纤光栅分为两个基本类型：布拉格光纤光栅( f i b e r b r a g gg r a t i n g ，f b g ) 和长周期光纤光栅( l o n g - l j e r i o dg r a t i n g ，l p g ) 。其中f b g 典 型周期为几百纳米，在纤芯中正向传输和反向传输的模式发生耦合，可以对特定波长的 输入光产生反射；而l p g 的典型周期为几十到几百微米，耦合发生在同向传输的纤芯 导模和包层模之间，是一种透射型带阻滤波器。 ( a ) 均匀光纤光栅c o ) 升余弦切趾光纤光栅( c ) 啁啾光纤光栅 ( d ) 相移光纤光栅( e ) 倾斜光纤光栅( f ) 超结构光纤光栅 图1 1按折射率分布的光纤光栅分类 根据轴向折射率分布不同，如图1 一l 所示，光纤光栅可大致分为以下几种跚1 2 】【1 3 】： 第一章绪论 1 均匀光纤光栅 均匀光纤布拉格光栅是最常见的一种光纤光栅，这种光栅的周期与折射率调制深度 均为常数。一般周期为几百纳米，具有较高的反射率和较窄的反射带宽，但是当反射率 达到一定程度时，其反射谱两边会出现较高的旁瓣。 2 切趾光纤光栅 切趾光纤光栅的折射率调制沿z 轴分布不再是均匀的，其包络满足某种特定的函数， 常用的切趾函数有高斯函数、双曲正切函数和升余弦函数等。切趾对均匀光纤光栅反射 谱的边模旁瓣具有很强的抑制作用，选择不同的切趾函数能起到不同的抑制效果【1 4 】【1 5 1 。 3 啁瞅光纤光栅 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向变化的，一般可以分为线性啁啾和非线性 啁啾光纤光栅两种。啁啾光栅实质上是多个不同周期的光栅组合，而不同周期的光栅对 应于不同的反射波长，因此啁啾光栅具有较宽的带宽。另一方面，由于各个波长沿轴向 在不同的位置被反射，引入了一定的光程差，因此各个波长的时延不同，具有一定的色 散。基于这种色散特性，啁啾光栅被广泛用于波分复用系统的色散补偿器件1 6 1 【1 7 1 。 4 相移光纤光栅 相移光纤光栅是在均匀周期光纤光栅的某些位置发生相位跳变，从而改变光谱的分 布。单点相移布拉格光纤光栅能够在布拉格反射带中打开一个极窄带透射窗口，可以用 来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式光纤激光器【1 8 【1 9 】【2 0 】；通过设计在光栅的多 个点产生相移，可以使得光栅对多个波长有更高的选择度，可以用这个特点来构造多通 道滤波器件【2 l 】，也可用作o c d m a 系统中的编解码器【2 2 1 。 5 倾斜光纤光栅 在倾斜光纤光栅制作过程中，相位掩模板与光纤轴不严格垂直，导致光栅条纹与光 纤轴成一定的倾角。倾斜光栅中不仅存在正向和反向传输的纤芯基模之间的耦合，而且 还会将基模耦合至包层模中或辐射模中，因此也称为闪耀光纤光栅( b l a z e df i b e r g r a t i n g ) 。从光栅的透射谱上看，在布拉格波长的短波方向会出现一系列损耗带，分别 对应着基模与不同包层模或辐射模的耦合，其强度随倾斜角度的变化而变化。倾斜光纤 4 浙江大学博士学位论文 光栅可以用于空阁模式耦合器矧、e d f a 的增益平堡渊以及折射率传感潮等。 6 超结构光纤光栅 超结构光纤光栅又称为采样光纤光栅，其折射率调制是一不连续的周期性分布，可 以看作是对光纤布拉格光栅按照一定的规律在空闻上进行采样的结果，其反射谱具有多 个分立的反射峰，丽且可以通过不同的采样函数来获得不同的反射谱。超结构光纤光栅 可以用于梳状滤波器【2 翻、多波长激光器f 2 强、微波光子滤波器溺翠9 】等领域，还可以实现 对多个信道的同时色散补偿【3 0 】。 当然，以上光纤光栅的分类也不是绝对的，比如瓣跟光纤上两个相隔一定距离的 f b g 可以构成法珀腔( f a b r y - p e r o tc a v i t y ) 3 u ，而两个3 d b 的l p g 可以形成光纤型马 赫泽德予涉仪( m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ) 3 2 】，这些光栅结构也可以看成是具有特 殊的折射率调制分布的光栅，它们在光纤通信和光纤传感领域有特殊的应用。 1 3 2 光纤光栅在传感领域中的应用 光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效 应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、 应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参 数也随之改变。通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功 率变化可以获取所需的传感信息。由于光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，所以 它不仅继承了普通光纤传感器的优点如抗电磁干扰、结够紧凑、易于操作外，还具有其 独特的优点：基于波长检测，具有囊参考功箍，测量信号不受光强波动及系统损耗的影 响，抗干扰能力更强；复用能力强，便于构成大面积的准分布式光纤光栅传感网络。因 此，自从19 8 9 年美雷的m o r e y 等人首次进行光纤光撩的应交与温度传感研究以来强弱， 世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究【4 】【3 4 】【3 5 】。针对以下不同参数的测量， 如应力应变、微应变、温度、加速度、振动、倾角、压力、电流、磁场及折射率等，光 纤光栅传感器可广泛用于地震监测、土木工程、航天航空、海洋探测、石油化工、电力 电子行业、生物医学工程及化学工程等多个领域。 ( 一)在地球动力学中的应用【3 6 】【3 7 】 光纤光栅传感器在地震检测等地球动力学领域中，主要作为地形检波器和光学地震 第一章绪论 仪来测量岩石变形和垂直震波。在地震检测中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估 定和预测是非常复杂的，而目前来说最有效的方法是通过测量火山区的应变和温度变化 来观察火山活动性及其关键活动蒋围的演变。火出活动区的应变包含静态应变和动态应 变两种，静态应变即火山产生的静态变形等需要在离地质变形源很近的地方测量；动态 应变主要以震源的震波为表现形式，相对采浣可以在离震源较远的地球周边环境中检测 到。为了准确定位震源或火山源的位置，更好地描述震源区的几何形状和演变情况，需 要使用密集排列的应力一应变损i 量仪。光绎光栅传感器能实现远距离、密集排列复用的 传感网络，非常适合符合地震检测的需求。另外，基于地震勘探的原理，光纤光栅地震 仪在石油勘探等领域也有很好的应用前景p 。 ( 二)在土术工程中的应用- c 4 3 】 在土木工程中，对于桥梁大坝、隧道矿井、大型建筑物等来说，其结构会随着时间 推移或者外赛环境的改变西变化，因此需要通过测蠢结构豹应变分布相局部载赫状悉， 来确保箕结构健康并安全运行。光纤光栅传感器尺寸小，既可以贴在现存工程结构的表 面，也以在浇筑时埋入结构中，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结 构进行准分布式实时监测。 其中，桥粱的安全监测是土术工程中使用光纤光概传感器最多的领域。如加拿大卡 尔加里附近的b e d d i n g t o nt r a i l 太桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一， 1 6 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土燮撑盼钢增强杆秘碳纤维复合材料筋上，对桥 梁结构进行长期监测。美国新墨西哥l a sc r u c e s1 0 号州际高速公路的一座钢结构桥梁 上，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多 的纪录。香港青马大桥是一座全长2 1 6 0 米的跨海大桥，采用光纤光栅健康监测系统为 该桥进行长期健康监测，该桥共设了3 0 多个监测点，同时对桥梁的应变和温度进行实 时在线检测 4 。公路、铁路和隧道的安全关系到交通安全，因此公路、铁路和隧道的安 全监测尤为重要，比如我国的青藏铁路大量路段经过冻土区，丽冻土的状况影响到铁路 路基安全，在冻土温度监测方面利用光纤光栅传感器实现5 0 0 多个观钡9 点的组网钡4 懿， 精度达到+ - - - 0 1 【4 2 l 。 另外，结构的振动特性也是土木工程领域关注的一个闷题，采用光纤光栅制成的加 速度传感器可以实时监测桥梁、建筑物等大型结构的振动情况【4 3 1 。 ( 三)在航天器及船舶中的应用 州。【4 7 】 浙江大学博士学位论文 先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量， 已经越来越多地被用于制造高速航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋入光纤 光栅传感器，可以在飞行器或船舰运行过程中进行实时健康监测和损伤探测。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的 抨击力，普通船体大约需要1 0 0 个以上的传感器，而为了监测一架飞行器的压力、温度、 振动、起落驾驶状态，超声波场和加速度情况，所需要的传感器也超过1 0 0 个，因此传 感器的尺寸和重量是非常重要的参数。光纤光栅传感器特有的尺寸小、重量轻、复用能 力强的优点正好满足了船体及飞行器检测的需要。 各国宇航局和海军系统都非常重视光纤光栅传感器的应用。美国埃姆斯研究中心在 航天飞机x 3 3 上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时健 康监测【4 4 1 。挪威h j e h n e 等人成功运用光纤光栅传感系统测量了船体的动态载荷和弯曲 应力，而且记录了湿甲板与海浪之间的冲击力【4 ”。 ( 四)在石油化工业中的应用【4 8 】【5 0 】 石化工业中，油气的着火点低，属于易燃易爆物质，在运输或储存时都需要严格的 安全监测。传统的电类传感器用于诸如大型储油罐、油井、输油管道等地方的测量存在 不安全的因素。光纤光栅传感器的探测单元和光纤信号传输均无电流，本质安全且无需 现场供电，因此非常适合在石油化工领域里应用。美国c i d r a 公司开发了基于光纤光 栅的监测温度、压力和流量等热工参量的传感技术，并将其应用于石油和天然气工业的 钻井监测，以及海洋石油平台的结构监n t 4 9 1 。 光纤光栅还可以用于化学传感，因为光栅周围化学物质浓度的变化会通过倏逝场影 响光栅的谐振波长。通过对光纤光栅进行特殊处理或直接利用长周期光纤光栅可以制成 探测各种化学物质的光纤光栅传感器。例如在光纤光栅上镀钯，可以制作光纤光栅氢气 传感器。美国马里兰大学智能材料和结构研究中心用光纤光栅开发了一套分布式氢气泄 漏传感系统【5 0 1 ，系统中有4 0 个光纤光栅氢气传感器。长周期光纤光栅制作的化学传感 器可直接测量许多化学成分的浓度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、c a c l 2 、n a c l 等，配以适当的解调技术其灵敏度可达到1 0 。 ( 五) 在电力工业的应用 5 1 】 5 3 】 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实 第一章绪论 现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。 高压开关、高压变压器绕组的温度、发电机电流、输电线的载重量等都可利用光纤 光栅传感器测最。h a m m o n 等人筘i j 演示了用光纤光栅传惑器测量高压变压器的绕组温 度，长期监测精度达到士3 。用常规电流转换器、压电陶瓷( p z t ) 和光纤光栅组成的 综合系统对大电流进行闻接测量，电流转换器将电流转变成电压，电压变化使p z t 产生 形变，利用贴予p z t 上的光纤光栅测量形变大小从而间接测得电流强度【5 2 l 5 3 1 。另外， 由大雪等对输电线施加的过大压力可能会引发危险事件，因此在线检测输电线压力非常 重要，特别是对于那些环境恶劣不易检测到的偏远山区部分。光纤光栅传感器测量输电 线的载重量原理是把载重量的变化转化为紧贴电线的金属扳所受应力的变化，通过粘于 金属板上的光纤光栅传堪器所测的应力变化即可以获得输电线的载重量。 ( 六)在医学中的应用 近年来，使愿高频电流、微波辐射和激光热疗等技术来进行超声手术、过高熟治疗、 碎石手术等以代替普通外科手术越来越受到医学界的关注。为测定高频辐射或微波场的 安全性，需用超声波传感器来检测这一系列医疗中所用的超声诊断仪器鳇性能。传统的 电子传感器由于其中的金属导体容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤 周陵的热效应，从丙导致错误读数。光纤光概传感器抗电磁干扰，尺寸小，能够逶过最 小限度的侵害方式对人体组织内部测量温度【5 4 1 【5 5 1 、压力、声波场等信息，避免了对难常 医疗过程的干扰。到嚣翦为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度和 超声波场，在3 0 - 6 0 的范嗣内，获得了分辨率为0 1 和精确度为士o 2 的测量结 果，超声场的测量分辨率为1 0 。a t m h z ，这为研究病变组织提供了有用的信息f s 6 1 。 另外，光纤光栅压力传感器也可在医学中应用。新加坡总医院将南洋理工大学生物 医学工程研究中心研制成的一种光纤光栅传感器攥于夕 科校正，以便帮助医生监视患者 的健康。埋有光纤光栅阵列的胫骨压力传感垫配以绘图设备可以绘出压力的空间图形， 能用乎监视膝关节 孛缩运动时的压力分布，有助予开发出符合患者实际需要的义肢p 。 ( 七)其他方面的应用 光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用。例如： 1 ) 光纤光栅传感器具寿耐辐射的能力，可以用于对棱电站的反应堆建筑或外壳结 构进行变形监测 5 8 】，蒸汽管道的应变传感，以及地下核废料堆中的应变和温度监控等【5 9 1 。 浙江大学博士学位论文 2 ) 光纤光栅组合式液位计可以用于河流，湖泊，水库的水位监测，其原理为通过 弹性元件将水压转换成光纤光栅的应变【6 0 】，通过测量光栅谐振波长的偏移来获得水位信 息。 3 ) 光纤光栅激光器型水听器可以测量水下声场并且有很好的性能，具有线性响应， 灵敏度高，稳定性好，动态范围大( 9 0 d b ) ，操作频率范围宽( 可以从几k h z 到几m h z ) 等优剧6 1 1 。 总之，光纤光栅传感器的应用虽然在我国才刚刚开始，但是有着非常广阔的发展前 景。预计不久的将来光纤光栅传感器在现代化建设中会发挥越来越重要的作用。 1 4 本论文的主要内容及创新点 光纤光栅经过近三十年的发展渐趋成熟，已经有不少商业化的产品出现。但是仍然 有许多工艺和技术方面的问题有待解决，特别是在传感领域的应用中还有许多值得研究 的课题。目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面：一是对传感器本身及能进 行横向压力负载测量和高灵敏度、高分辨率、且能同时进行应力和温度测试的传感器研 究；二是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成本、小型 化、可靠且灵敏的探测技术；三是光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温 度补偿技术、传感器网络及解调技术。本论文主要围绕几种新型的光纤光栅器件，并就 其在传感领域中的应用作出了富有特色的研究工作，并且提出了几种创新性方案，其中 包括单纵模短腔光纤光栅激光器以及如何用于高分辨率的应力及温度同时测量、横向压 力负载测量、高频医学超声波传感应用等，如何解决光纤光栅折射率传感时的温度交叉 敏感问题，如何使用微波光子滤波器进行光纤光栅的波长解调以及基于光纤光栅三角形 滤波器的解调技术等。 1 4 1 本论文主要内容 本论文的具体内容安排如下： 第一章介绍了光纤光栅器件的研究目的和意义：介绍了光纤光栅的发展概况；对光 纤光栅的分类及其在传感领域中的应用研究进行了阐述。 第二章主要介绍了光纤光栅的理论基础和实验制作技术。首先从光纤光栅的物理模 型出发，介绍了光纤光栅的分类；接着介绍了分析光纤光栅理论工具( 耦合模理论和传 9 第一章绪论 输矩阵法) ，并用其分别对f b g 和l p g 进行了模拟计算，分析了它们的光谱特性；然 后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：最后分析了几种常见的 光栅制作技术，其中重点介绍了本论文中所使用的光纤光栅制作系统，给出了两种不同 长周期光栅制作平台的比较。 第三章提出了一种基于铒铱共掺光纤的单纵模短腔光纤光栅激光器。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，光纤光栅激光器比普通f b g 具有更高的灵敏 度，然后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。 第四章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如 何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l p g 干涉仪用于提高折射率传感灵敏度的方案，并分别介绍了它们对折射 率与温度同时测量的原理；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l p g 结构、双l p g 结构、内插多模光纤锥双f b g 结构，并用实际制作的光纤光 栅传感器进行了相关实验，最后对实验结果进行了分析讨论。 第五章研究了光纤光栅传感器信号解调技术。介绍了现有几种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f b g 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。 第六章首先对本论文的工作进行了总结，并对今后的研究方向做了几个可行性的规 划，包括特种光纤上制作专门针对传感应用的长周期光纤光栅、短腔光纤光栅激光器的 复用问题等。 1 4 2 本论文的创新点 提出并制作了单纵模输出的短腔铒铱光纤光栅激光器，并首次利用其偏振拍频信号 实现应变与温度的同时测量和高分辨率的横向压力负载测量，并研究了传感器灵敏度与 1 0 浙江大学博士学位论文 受力角度的关系。 利用短腔光纤光栅激光器作为水听器，测量高频医学超声波。结合湿法化学腐蚀工 艺，研究了光纤包层直径与传感器响应之间的关系。实验结果表明，随着腐蚀程度加深， 光纤直径减小，不仅可以增大传感器的响应带宽，而且在高频区的灵敏度也大大提高。 提出了一种基于不同阶数包层模式耦合的夹层l p g 结构用于折射率传感，利用不 同阶数包层模式具有不同的折射率和温度敏感特性，实现了折射率和温度同时测量。 提出了一种中间插入多模光纤锥的双f b g 结构用于折射率传感，两个f b g 反射的 光功率差决定于折射率，而f b g 的波长只和温度有关，因此也可以用于折射率和温度 的同时测量。 提出了一种基于光纤光栅微波光子滤波器的波长解调方案，由于其温度不敏感特 性，非常适合在应力传感领域应用，同时也研究了传感器灵敏度与射频信号调制频率之 间的关系。 设计并制作了啁啾切趾光纤光栅三角形滤波器用于f b g 传感器的动态应变信号解 调，该方案结构简单，器件成本低，具有很好的实用价值。 参考文献 【1 】t m i y a ，y t e r u n u m a , t h o s a k a ，m i y a s h i t a ，u l t i m a t el o w - l o s ss i n g l e - m o d ef i b r ea t1 5 5g m ， e l e c t r o n l e t t ，1 9 7 9 ，1 5 ( 4 ) ：1 0 6 1 0 8 【2 】d a k r o h n ，f i b e ro p t i cs e n s o r s ：f u n d a m e n t a la n da p p l i c a t i o n s ，i n s t r u m e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ， r e s e a r c ht r i a n g l ep a r k ，n o r t hc a r o l i n a ，1 9 8 8 【3 】t e r d o g a n , f i b e rg r a t i n gs p e c t r a ，j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，1 9 9 7 ，1 5 ( 8 ) ：1 2 7 7 1 2 9 4 【4 a d k e r s e y ，m a d a v i s ，h j p a t r i c k ，m l e b l a n c ，k p k o o ，c g a s k i n s ，m a p u t n a m , e j f r i e b e l e ，f i b e rg r a t i n gs e n s o r s ，j l i g h t w a v et e c l m 0 1 ，1 9