（光学工程专业论文）长周期光纤光栅的特性及传感应用研究.pdf

6 r - 、 大连理工大学博士学位论文 摘要 长周期光纤光栅是一种周期在数百微米的光纤光栅，由于插入损耗低、背向散射小、 制作简单以及成本低等优点，在光纤传感和光纤通讯领域有良好的应用前景。本文提出 了采用c 0 2 激光脉冲制作长周期光纤光栅的新制作方法，并对该方法制作的长周期光纤 光栅的光谱特性和传感特性进行研究。论文内容主要包括以下几个方面： 1 、本文建立了光纤三层模型，从矢量亥姆霍兹方程出发，根据电磁场的边界连续 条件，得到了隐式的包层模特征方程，然后采用快速搜索和逐步逼近的方法对包层模的 有效折射率进行高分辨率的快速求解。文中同时对长周期光纤光栅的光谱特性进行分析 和数值模拟，为长周期光纤光栅的制作和传感研究提供理论参考。 2 、本文首次提出了利用三束聚焦的高频c 0 2 激光脉冲角向对称写入系统制作长周 期光纤光栅的方法，具有写入系统结构简单、易于控制、调节等优点，能够制作出插入 损耗小，带宽窄的长周期光纤光栅，同时能消除c d 激光单侧写入方法引起的折射率改 变不均匀的问题，保证长周期光纤光栅具有相对一致的弯曲特性，减小了长周期光纤光 栅的偏振相关损耗。本方法己获得国家发明专利。 3 、本文采用c o r m n gs m f - 2 8 光纤，通过对称写入方法制作出纤芯导模与低阶包层 模之间产生能量耦合的长周期光纤光栅，并对光栅的温度、轴向应变、弯曲以及环境折 射率等特性进行理论分析和实验研究。从长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅的高温实验 对比可以看出，长周期光纤光栅具有较高的温度灵敏度和高温稳定性，适合于高温环境 下的温度传感。对长周期光纤光栅轴向应变的测量结果表明，其轴向应变灵敏度与布拉 格光纤光栅的相近或者低一个量级左右，远小于长周期光纤光栅的温度灵敏度。对长周 期光纤光栅弯曲特性的测量结果表明，采用单面写入技术制作的长周期光纤光栅存在对 应变最为灵敏两个方向和最为不灵敏的两个方向，而采用本文对称写入技术制作的长周 期光纤光栅则具有相对一致的弯曲特性。对长周期光纤光栅环境折射率敏感特性的实验 结果表明，长周期光纤光栅可以实现折射率浓度的实时测量，并且灵敏度高，而通过 腐蚀包层半径的方法可以进一步环境折射率的敏感性。 4 、本文制作了温度可调谐长周期光纤光栅带阻滤波器，基于该滤波器的线性边带 提出了布拉格光纤光栅动态应变测量系统。由于温度可调谐长周期光纤光栅带阻滤波器 的线性范围宽、动态范围可调，因此能够自动适应布拉格光纤光栅应变传感器所在环境 温度的变化，使布拉格光纤光栅传感器的反射波长的初始位置始终位于滤波器线性边带 婚笋n 长周期光纤光栅的特性及传感应用研究 的中心，从而保证传感器获得最大的动态范围；宽频响交流放大器的采用可以消除电路 的直流漂移和布拉格光纤光栅传感器所处的环境温度缓慢波动引起的低频扰动。 5 、针对高温高压油气井下恶劣的测量环境，本文首次提出了长周期光纤光栅和光 纤非本征法珀腔传感器串联复用测量系统，对温度和压力双参数同时测量。首先从叠 加反射光谱中将光纤非本征法珀腔传感器的腔长准确解调出来，然后从叠加的反射光 谱中去除光纤非本征法棚；腔压力传感器的干涉谱，得到归一化的长周期光纤光栅传输 谱，然后通过高斯拟合求出长周期光纤光栅的谐振波长。为了提高复用系统中法珀腔 长和长周期光纤光栅谐振波长测量的分辨率，本文首次提出了一种基于最小均方误差估 计的光纤非本征法- 珀腔传感器腔长解调算法，在1 8 4 u r n 的腔长变化范围内得到了 0 1 8 r i m 的腔长分辨率，因此该算法能够实现光纤非本征法珀腔传感器的高精度、大动 态范围的绝对腔长解调。对采用最小均方误差估计的串联复用系统进行考核，温度和压 力的稳态分辨率分别为0 1 6 和1 6 8 1 7 8 k p a ，而产生最大串扰时的温度和压力的分辨率 分别为0 3 9 和5 9 1 5 5 心a ，分别为满量程的0 0 8 7 和0 1 9 。 关键词：长周期光纤光栅：三束聚焦：激光脉冲对称写入系统；布拉格光纤光栅：非 本征光纤法布里一珀罗传惑器：解调算法 ， 、 j 6 1 j 大连理工大学博士学位论文 s m d y o nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds e m m g a p p l i c a t i o n so f l o n g p e r i o d f i b e rg r a t i n g s a b s t r a c l ： l o n g p e r i o d f i b e r g r a f i n g ( l p f g ) i s a k i n d o f f i b e r g r a t i n g w i t h a p e r i o d o f s e v e r a l m i c r o n s ， w h i c hh a sg o o dp r o s p e c t si no p t i c a lf i b e rs e n s o ra n do p 吐c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na r e a sw i t h a d v a n t a g e so f l o w i n s e r l j o nl o s s 1 0 wb a c k - r e f l e c t i o n , e a s yf a b r i c a t i o na n dl o wc o s t i nt h e t h e s i s ，an e wl p f gf a b r i c a t i o nm e t h o db a s e do nc a r b o nd i o x i d el a s e ri sp r o p o s e d , a n dt h e o p t i c ms p c c t n l mc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s o ra p p l i c a t i o n so f t h eu p f gi ss t u d i e d 卫1 em a i n r e s e a r c hw o r k si n c l u d e s ： 1 b a s e do nv e c t o rh e l m h o l t ze q u a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l db o u n d a r yc o n d i t i o n s t h ei m p l i c i td i s p e r s i o ne q u a t i o no f t h r e e - l a y e rc y l i n d r i c a lw a v e g u i d ec a nb ed e r i v e d ar e p a i d s c a na n ds t e t r - b y - s t e pm e t h o da r ea d o p t e dt os o l v et h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xo f c l a d d i n g m o d e sw i t hh i g hr e s o l u t i o na n df a s ts p e e d 1 1 1 e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f i r a n s m i s s i o ns p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c si sag o o dr e f b n 1 c et ot h ef a b r i c a t i o na n ds e n s o r a p p l i c a t i o no f l p f g 2 an e ws y m m e t r i cf a b r i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h r e ef o e u s e dh i g h - f r e q u e n c yc a r b o n d i o x i d el a s e rb e a m si sp r o m o t e df o rt h ef i r s tt i m e 1 1 1 es y s t e mw i t ha d v a n t a g e so fs i m p l e s t r u c t u r e ，e a s yt oc o n t r o la n da d j u s t m e n tc a n e l i m i n a t et h ea s y m m e t r i cr e f r a c t i v ei n d e x m o d u l a t i o nc a u s e db ys i d ee x p o s u r em e t h o d 耵1 el p f gf a b r i c a t e dw i t ht h es y s t e mh a sl o w i n s e r t i o nl o s sa n dn a r r o wb a n d w i d ：l h ，a l s oh a v er e l a t i v eb n i f o r l i lb e n d i n gc h a r a c t e r ，l o w p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c el o s s n ef a b r i c a t i o nm e t h o di sp a t e n tp r o t e c t e dn o w 3 l p f g - sw h i c hc o u p l eg u i d em o d e st o1 0 wo r d e rc l a d d i n gm o d e sa r ef a b r i c a t e do n t e l e c o m m u n i c a t i o nf i b e r so fs m f - 2 8 ( c o r n i n g ) w i t ht h em e t h o da sm e n t i o n e da b o v e 1 1 1 e c h a r a c t e r i s t i c so f t e m p e r u t m e ，a x i a ls t r a t a , b e n d i n ga n ds u r r o u n d i n gr e f r a c t i v ei n d e xo f l p f g s 眦i n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s t 1 1 el p f g s ：h a v eh i g ht e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n dh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t yi nc o m p a r i s o nw i t hf i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g ) ，w h i c ha r es u i t a b l et ob e u s e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r e c o m p a r e dw i t hf b g t h ea x i a ls t r a i ns e n s i t i v i t y0 f l p f gi s s m a l l e r t h eb e n d i n gm e a s u r b - n l e n t ss h o wt h a tl p f gf a b r i c a t e dw i t hs i d ee x p o s u r ee x i s t s 也e m o s tb e n d s e n s i t i v et w oo r i e n t a t i o n sa n dt h em o s tb e n d i n s e n s i t i v et w oo r i e n t a t i o n s ，b u t l p f gf a b r i c a t e dw i t hs y m m e t r i ce x p o s u r em e t h o ds h o w ss i m i l a rb e n dc h a r a c t e r i s t i c s ，n l e r e f i a e t i v ei n d e xe x p e r i m e n ts h o w st h a tt h el p f gc a l lb eu s e dt om e s 吼i r er e f r a c t i v ei n d e xa n d c o n c c n l r a t i o nw i t hf a s ts p e e da n dh i g hr e s o l u t i o n t h er e f r a c t i v ei n d e xs e n s i t i v i t yo fl p f g c 锄b ef t l i t h e ri m p r o v e db ye t c h i n gt h ec l a d d i n gr a d i u s i i i - 长周期光纤光栅的特性及传感应用研究 4 at e i n p e r a t u r e - t u n a b l eb a n d - r e j e c t i o nf i l t e rb a s e do nl p f gi sd e s i g n e di n 也et h e s i s b a s e do nt h en a l t o wl i n e a rr a n g eo f t h el p f gs h a r ps l o p e ，a l li n t e n s i 妒b a s e dd e m o d u l a t o ri s u s e di n t h ef b gd y n a m i cs t r a i ns e n s o rs y s t e m b e c a u s et h et u n a b l el p f gf i l t e rh a sb r o a d l i n e a rr a n g ea n dt u n a b l ed y n a m i c a lr a n g e ，t h ed e m o d u l a t o rc a na u t o m a t i c a l l yl o c a t et h ei n i t i a j b r a g gw a v e l e n g t hi n t h em i d d l eo f t h el i n e a re d g et og e tt h em a x i m u md y n a m i c a lr a n g e b e s i d e s ，t h eu s co f w i d e b a n dh i g hs p e e da c ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t ) a m p l i f i e rc a ne l i m i n a t et h e d c i r e c tc u r r e n t ) d r i f to f t l l ec u r r e n ta n dt h el o wf r e q u e n c yd i s t u r b a n c ec a u s e db yt h es l o w f l u c t u a t i o no f f b g t e m p e r a t u r e 5 i no r d e rt om e a s u r et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es i m u l t a n e o u s l yi nt h eo i l w e l ld o w n h o l e t h et h e s i sp r o m o t e sal p f ga n de f p ic a s c a d em u l t i p l e x i n gs y s t e m f i r s to ff 1 1 a na l g o r i t h m i su s e dt od e m o d u l a t et h ee f p ia i rg a pf r o mt h er e f l e c t i o ns p e c t r u mo fm u l t i p l e x i n gs y s t e m , t h e nt h en o r m a l i z e dl p f gt r a n s m i s s i o ns p e c t r u mc a nb ed e r i v e da f t e rr e m o v i n gt h e i n t e r f e r e n c es p e c t r u mo ff i b e re f p is e n s o rf r o mt h eh y b r i da p e e t r u m , f i n a l l y ，t h er e s o n a n t w a v e l e n g t ho f l p f gi se a l c u l a t e du s i n gg a u s s i a nf i t i no r d e rt oi m p r o v et h er e s o l u t i o no f a i r g a pa n dr e s o n a n tw a v e l e n g t hi nt h em u l t i p l e x i n gs y s t e m ，ad e m o d u l a t i o na l g o r i t h mb a s e do n m e a ns q u a r ee r r o r f m s e ) e s t i m a t i o nf o ro p t i c a lf i b e re f p is e n s o ri sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t oo u rk n o w l e d g e ，w h i c hc a na c h i e v eh i 曲r e s o l u t i o no f0 18 n ma n da b s o l u t em e a s u r e m e n t o v e ral a r g ed y n a m i cr a n g e 1 1 1 em u l t i p l e x i n gs y s t e mc a na c h i e v et e m p e r a t u r es t a t i c r e s o l u t i o no f0 1 6 a n dp r e s s u r es t a t i cr e s o l u t i o no f1 6 8 1 7 8 k p 乱t h er e s 0 1 u t i o na tt h e m a x i m u i lc r o s s t a l ki s0 3 9 a n d5 9 1 5 5 k p ar e s p e c t i v e l y w h i c hi s0 0 8 7 a n d0 1 9 o v e r t h ef u l ls c a l e k e yw o r d s ：l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ；a z i m u t h a l l ys y m m e t r i cw r i t i n gm e t h o db a s e do n t h r e ef o c u s e dc 0 2l a s e rh i g hf r e q u e n c yp u b e s ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ；e x t r i n s i c f a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ；d e m o d u l a t i o na l g o r i t h m i v 屯 纂 独创性说明 作者郑重声明：本博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。 作薯签名：塞丝缒日期：竺型：望! 笠 大连理工大学博士研究生学位论文 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：丞丝筮 新签名：堑趣 丛年卫月掣日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 光纤传感器的发展 光纤传感器技术是随着低损耗光纤的诞生和光纤通信技术的迅猛发展而逐步发展 起来的，光纤传感技术的研究和开发迄今已有近三十年的历史，已经成为传感器技术中 的一个重要分支。光纤传感器能够测量许多的物理、化学等方面的参量，比如压力、温 度、应变、位移、加速度、浓度、湿度、流量、电流、电压等。相对于传统的电子传感 器，光纤传感器具有体积小、重量轻、本质安全、抗电磁干扰、耐高温、耐压、耐腐蚀， 灵敏度高，响应快，能够实现分布式或者准分布式传感以及能够实现远距离信号传输等 等优点，因此在工业、民用建筑等众多领域已经得到了广泛的应用【l 】。 光纤传感器自从诞生以来，发展迅速，种类众多，一般可以从不同的角度对光纤传 感器进行分类p 】： 从传感的机理上可以分为功能型和导光型，前者光纤本身或者光纤传感器件直接受 到外界因素，比如温度、压力、加速度、磁场和电流等变化的调制，使光纤中光波的强 度、相位、波长或者偏振态等参量发生变化，通过对某个光参量变化的检测，就可以获 取外界物理量的变化。而导光型光纤传感器中光纤本身不是敏感器件，而是通过其它敏 感元件感知外界物理量的变化，光纤只是起到传光的作用。 根据外界信号对光纤中传输的光波特征参量调制方式的不同，则可以分为：强度调 制型、相位调制型、。波长调制型、频率调制型和偏振调制型。 根据被测参量的不同，光纤传感器可以分为：光纤温度传感器、光纤压力传感器、 光纤振动传感器、光纤湿度传感器、光纤流量传感器、光纤电流传感器、光纤磁场传感 器、光纤气体传感器及光纤p h 值传感器等等。据第十五届国际光纤传感器会议的统计 【l 】，在光纤传感市场份额中，应力方面的传感测量占2 3 ，温度方面的传感应用占1 7 2 ，气压声学方面的应用占1 5 2 ，电流电压方面的应用占1 2 2 ，化学和气体方面的 检测占1 1 3 。 以下简要的回顾光纤传感发展的历程： 1 9 7 6 年，v 碰v 和s h o r t h i l lrw 【4 】首次公开发表了利用s a g n a c 干涉仪原理制作光纤 陀螺仪( f i b e ro p d co ) ，r o s c o p e ，f o g ) ，此后，随着f o g 的不断发展，f o g 技术变得很成 熟，并且f o g 不像其它陀螺仪具有可动部件，因此可靠性高，将在军事和商业化应用 方面发挥重要作用。 长周期光纤光栅的特性及传感应用研究 1 9 7 8 年，i c o h i l l 等人【5 】首先利用4 8 8 n m 氩离子激光器在掺锗光纤产生驻波干涉 条纹，从而导致光纤的折射率沿轴向产生周期性的改变，制造出世界上第一只布拉格光 纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 。因为采用这种方法制作的光纤光栅的布拉格波长与所 用光源的写入波长相同，同时由于光纤光栅的特性不好，制作效率低，因而在一定程度 上限制了光纤光栅的研究和发展。因此关于布拉格光纤光栅的研究和传感应用一直没有 大的发展。直到1 9 8 9 年g m e l t z 等人提出了紫外光侧面曝光的写入技术同，光纤光 栅传感器才得到了广泛的研究。1 9 9 3 年，h i l l 等人【7 】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，使光纤布拉格光栅 在光纤传感和光纤通讯领域得到了迅速的发展，成为目前应用最为广泛的光纤传感器之 一o 1 9 8 5 年，d a k i n 等人 8 1 首先提出可以利用喇曼散射效应制成分布式温度传感器；1 9 8 9 年，h o r i g u c h i 9 并g lc u l v e r h o u s e 1 0 】等人首次分别的提出了利用布里渊散射原理对温度和应 变进行分布式测量，从而基于布里渊散射的传感系统得到广泛的研究。尽管基于布里渊 散射的分布传感技术相对于喇曼散射的研究较晚，但由于该技术在温度和应变的分布测 量上能够达到更高的测量精度和空间分辨率，因此发展的较快。目前这两类分布式光纤 传感器技术已趋于成熟，并逐步在诸如地下电缆、煤矿、油气生产和疏运管道等生产监 控以及土木结构检测等方面得到应用【l l - 1 4 1 。 1 9 8 8 年l e e 等人i l5 】首次制作成功了光纤本征型法布里珀罗干涉传感器0 n t r i n s i c f a b r y - p e r o ti n t e f f e r o m e t d c ，i f p i ) ，1 9 9 1 年，m u r p h y 1 6 等人制作了光纤非本征型法布里 珀罗腔光纤传感器( e x t r i n s i cf a r b y - p e r o ti n t e r f e r o m e t r i c ，e f p i ) 。光纤法布里珀罗型传感 器结构简单，设计灵活，制作方便等优点。 1 9 9 5 年a m v e n g s a r k a r 等人【l 7 】首次采用紫外激光，在掺锗的光敏光纤中采用振幅 掩模板制作出第一只长周期光纤光栅( l o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g l p f g ) 。由于长周期光纤 光栅可实现前向传输的导模与前向包层模之间的耦合，无后向反射，可避免由后向反射 引起的光源振荡。同时，长周期光纤光栅具有制作方法简单、成本低、对制作装置的精 度要求不高等优点，使其成为继布拉格光纤光栅之后的又一类重要的光纤光栅传感器 件。 ， 目前，随着光纤，光纤有源和无源器件以及光纤传感解调设备及其相关技术的日趋 成熟，光纤传感器的实用化开发已经成为整个领域的研究热点和关键，另外，随着科技 的发展，对新材料和新的新传感机理的研究也促进着光纤传感的进一步发展。 大连理工大学博士学位论文 本论文主要研究长周期光纤光栅，在传感应用中涉及到布拉格光纤光栅和光纤法一 珀腔传感器，因此以下在介绍长周期光纤光栅的发展和研究现状的同时，对布拉格光纤 光栅和光纤法一珀腔传感器也进行了综述。 1 2 长周期光纤光栅传感器的发展与研究现状 根据光栅周期的长短，光纤光栅可以分为两大类：布拉格光纤光栅和长周期光纤光 栅。其中，光纤布拉格光栅出现的比较早，人们对它的研究也相对比较成熟，目前已经 在得到了许多实际的应用。随着光纤通信的发展，人们需要制作出具有低插入损耗、弱 背向反射的光纤光栅，因此，长周期光纤光栅的问世得到了普遍的重视。 正是由于长周期光纤光栅具有众多的优点，因此越来越引起人们的关注，并已经成 为光纤光栅研究领域的一个新的热点，成为光纤通信和光纤传感等领域发展的新动力。 1 2 1 长周期光纤光栅制备方法 目前制作长周期光纤光栅的方法很多，每种方法都能制作出具有不同光谱特性和传 感特性的光栅。如果按照制作时使用的激励源来区分，则可以大致分为： 1 、紫外写入法 真正意义上的长周期光纤光栅是由v e n g s a r k a r 等人采用紫外激光，通过振幅掩模 板制成的 1 8 , 1 9 , 2 0 。舒学文等人口1 】采用紫外写入法制作了周期超过l m m 的长周期光纤光栅， 并对其特性进行研究。紫外光导致光敏光纤纤芯折射率的改变，其纤芯折射率改变的机 理与布拉格光纤光栅的制作机理相同，可以采用色心模型1 2 2 2 3 3 和应力释放模型 2 4 2 5 ) 解释 光纤纤芯有效折射率发生“永久性”改变的原因。 目前，通常采用的紫外光源有2 4 8 n m 的k r f 准分子激光器，1 9 3 r i m 的a r f 准分子 激光器，2 4 4 n m 的倍频a r 离子激光器以及1 5 7 r i m 氟分子激光器。紫外写入法需要采用 掺锗的光敏光纤，为了增加光纤的光敏性，提高写入的效率，通常要事先对光敏光纤进 行高压氢载处理。1 9 9 8 年，h y t a m 等人提出了采用微透镜阵列代替振幅掩模板 2 6 , 2 0 的方法，该方法能够提高激光能量的利用率，缩短光栅的写入时间，提高光栅的制作效 率。 为降低成本，李栩辉等人【2 8 】采用宽谱的紫外光代替紫外激光器，通过振幅掩模板 可以一次制作多根光纤光栅，可以大大降低制作成本。 为了去除光栅制作完成后光纤中残余的氢分子，消除光栅中的不稳定性因素，一般 要对制作出的长周期光纤光栅进行退火处理，以提高光栅的稳定性 2 9 , 3 0 。采用紫外光通 过振幅掩模或者微透镜阵列的方法可以实现长周期光纤光栅的大批量制作，从而降低光 长周期光纤光栅的特性及传感应用研究 栅的成本。由于采用紫外光制作的长周期光纤光栅的机理与布拉格光纤光栅相同，因此 也存在高温稳定性不太理想的缺点。 2 、离子注入法 将高能量的离子注入到石英玻璃中，利用注入的离子与光纤中的原子核相互作用， 从而使玻璃的密度增加，导致折射率变大，可以产生高达l 的折射率变化量，该方法 制作的l p f g 具有良好的高温稳定性，可以用于5 0 0 * ( 2 以上的高温。但是，该方法受到 离子入射深度的限制，导致制作出的l p f g 在横截面的折射率分布不均匀o ”。 3 、聚焦的c o , 激光作为加热源 d a v i s 3 4 捌等人采用1 0 6 u m 的聚焦的c d ，激光脉冲，对光纤沿轴向进行周期性的逐 点曝光，从而制作出长周期光纤光栅。该方法可控性强，制作灵活，能够在普通的单模 光纤上制作长周期光纤光栅。一般认为此方法可能的形成机理是光纤中的残余应力释放 3 0 3 、熔融变形或者是玻璃致密化。 近几年c 0 2 激光脉冲写入技术及其特性研究得到了很大发展 3 7 - 4 ”。饶云江教授提 出了一种利用计算机控制的采用聚焦的高频c 0 2 激光脉冲( 5 k h z ) 在普通单模光纤中 写入长周期光纤光栅的方法 4 2 1 ，并对制作的长周期光纤光栅的特性进行研究 4 3 - 4 6 。2 0 0 2 年，我们提出了采用三束聚焦的高频c d 激光脉冲对称写入系统来制作长周期光纤光栅 的新方法，可以大大减小光栅的偏振相关损耗【4 7 1 。2 0 0 4 年，文献【4 8 】给出了采用c 0 2 激 光制作螺旋状长周期光纤光栅的方法，该方法也能制作出具有角向折射率分布均匀的长 周期光纤光栅，具有较小的p d l 。 4 、电弧放电法 p p a l a i 等人【4 9 】和g e o r g e s 等人1 5 0 3 采用电弧放电的方法对光纤沿轴向进行周期性局部 放电加热，通过光纤内部掺杂剂的热扩散，使纤芯和包层的有效折射率产生周期性的变 化，从而制成长周期光纤光栅。该方法简便，通过控制放电的电流大小和放电的时间， 就可以调整光纤加热的时间，从而对制作的长周期光纤光栅的光谱特性进行控制，另外， 采用此方法制作的长周期光纤光栅具有高达1 2 0 0 c 的温度稳定性 5 1 , 5 2 。 5 、腐蚀法 腐蚀刻槽的方法是将光纤表面沿轴向等间隔镀上金属薄膜，然后通过h f 酸将裸露 的部分腐蚀掉，从而形成周期性的环槽结构【5 3 矧。采用该方法制作的长周期光纤光栅可 以用于谐振波长和峰值损耗均可以调节的带阻滤波器【5 5 ，5 司。 将一根光纤用环氧树脂粘贴到一个波浪状的金属基底上，通过改变基底的温度对该 光纤施加周期性的微弯变形，从而制作出温度可调谐的长周期光纤光栅 5 7 , 5 8 。k r y u k o v 等 大连理工大学博士学位论文 人【5 9 】提出采用高功率密度的飞秒激光脉冲在掺锗光纤上制作长周期光纤光栅。艾江等人 1 5 0 】用光纤切割机对光纤轴向周期性刻槽，采用氢气火焰对光栅刻槽部位进行拉伸退火， 从而制成长周期光纤光栅。e i j k e l e n b o r g 等人【6 l 】通过一根带有1 5 0 0 角、深度为o 2 m m 、 周期为l m m 三角槽的p m m a 棒对多孔的塑料光纤进行挤压，通过机械变形的方法在微 结构聚合物光纤上制作出长周期光纤光栅。c h e n 等人【蚓采用带有凹槽的平板在光纤上 施加周期性的机械应力，通过光弹效应使挤压处的折射率产生周期性的变化，制作出相 移长周期光纤光栅。 1 2 2 长周期光纤光栅理论方面 光纤光栅的理论研究对于光栅光谱特性的研究以及在传感和通信领域的应用研究 具有指导意义，因此人们提出并发展了许多关于光纤光栅的理论。目前，关于光纤光栅 的分析方法很多，例如耦合模理论旧“嘲、传输矩阵汹”3 以及多层膜“枷等方法。其中， 耦合模理论是分析布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅最基本的方法。一般情况下，基于 耦合模理论的传输矩阵法可以对更为复杂的长周期光纤光栅，比如相移的光栅进行分析 o ”，g i a - w e ic h e m 等人【捌采用传输矩阵法对通过腐蚀方法制作的周期性环槽结构长周 期光纤光栅的模式进行分析。但是在一般分析均匀的长周期光纤光栅，则耦合模理论已 经足够了。 孔梅m “1 等采用简化的两层光纤模型，研究了长周期光纤光栅一阶低次包层模式的 场分布，并分析了纤芯导模与包层模式之间的耦合系数。e r d o g a n 等人o ”1 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，后来的许多学者的研究都是基于e r d o g a n 的上述分析结果。t s a o 删对三层 光纤模型的模式进行分析，也提出了一套求解包层模有效折射率的色散方程。张自嘉3 对e m d o g a n 和t s a o 提出的两个包层模色散方程的等价性进行深入研究，得出二者在本 质上是一致的，虽然前者存在冗余项，但是该方程直接和场方程相联系，可以计算出场 分量的各个表达式来。文献 8 2 - 8 5 中分别采用简化的包层模色散方程或数值分析的方 法，分析了长周期光纤光栅的传输谱与环境折射率的关系。何万迅等人汹3 建立了圆周对 称的长周期光纤光栅数学模型，并进一步假设折射率指数的调制作用轴向均匀，将仿真 的长周期光纤光栅透射谱与实验结果相比较，得出当光栅的调制作用较弱时，两者基本 吻合，而光栅调制强时，仿真的结果不太理想，并对产生问题的原因进行分析。柳青岬! ， 李新碗 瑚，何万迅喁9 】等人还分别基于不同的假设，分别研究了长周期光纤光栅的模式与 长周期光纤光栅的特性及传感应用研究 耦合，以及纤芯导模与一阶低次包层模的耦合系数，但柳青和李新碗都认为与纤芯导模 发生耦合的l 。包层模的耦合系数远大于与e h 。的耦合系数，而后者则认为与纤芯导模 发生耦合的旺。包层模奇模的耦合系数远大于与其偶模的耦合系数。张自嘉等人 9 0 , 9 1 】贝u 研究了模序对长周期光纤光栅带宽以及导模与e h 包层模的耦合系数的关系，认为当模 序较高时，导模与e h 包层模的影响不可以忽略。上述关于长周期光纤光栅的理论 7 3 - 9 1 1 大多是基于纤芯的折射率调制类型为正弦波型时的分析，崔一平等人【9 2 叫基于矩形折射 率调制的情况进行分析，并对非均匀的光栅采用传输矩阵法进行分析。 1 2 3 长周期光纤光栅在光纤传感领域的应用 长周期光纤光栅对温度、应力、弯曲、环境折射率以及横向负载都具有较高的敏感 性1 ，因此引起了众多研究者的关注。舒学文等人m 1 对导模与低阶包层模产生耦合的谐 振波长的温度、应变以及环境折射率等特性进行了深入分析，发现谐振波长对这些参量 的灵敏度与包层模模序有很大的关系，通过调整光纤的纤芯和包层的材料以及与导模产 生耦合的包层模的阶次，可以制作出存在对这些量最敏感和最不敏感的长周期光纤光 栅，从而消除某些交叉敏感问题；通过长周期光纤光栅的多个谐振峰，可以方便的实现 单个光栅的多参量传感。 利用长周期光纤光栅对温度敏感的特性，可以制作出温度传感器。许多学者”删对 长周期光纤光栅的温度灵敏度进行理论分析；k i n m 等人“0 叩选择纤芯和包层的热光系数 相差较大的特种光纤来增加温度灵敏度；k h a l i q 等人o ”采用热光系数大的材料对长周 期光纤光栅进行涂覆，在1 1 的范围内获得了1 9 2 n m 的温度灵敏度；何万迅等人“ 也采用热光系数大的聚合物材料( 硅树脂) 对腐蚀过的长周期光纤光栅进行涂覆，在- 4 0 附近获得了5 2 n m 的高灵敏度。另外，将长周期光纤光栅采用热膨胀系数大的金属 来封装，也可以获得较高的温度灵敏度。c o s t a n t i n i 等人1 1 4 7 1 对长周期光纤光栅镀t i p t 薄膜，然后施加电压控温的方式进行调谐，获得了1 l n m 的可调谐范围。b h a t i a 等人【1 0 3 】 通过选择纤芯与包层的热光系数尽量接近的特殊光纤来制作长周期光纤光栅，可减小其 温度系数，c h e n 等人【1 0 卅采用同样的方法得到温度灵敏度只有o 0 0 3 n m 的长周期光纤 光栅。j o o - n y u n gj a n g 等人【1 0 5 】在硼锗共掺的光纤上制作长周期光纤光栅，并在其外侧涂 覆一层具有负的热光系数的聚合物，利用该材料的热光系数和长周期光纤光栅对环境折 射率的敏感性，可以消除该长周期光纤光栅原来的温度敏感性，经过补偿后的温度灵敏 度仅为0 0 7 n m 1 0 0 。 一6 一 大连理工大学博士学位论文 l a w a n g 等人“”利用化学腐蚀法制成长周期光纤光栅，利用其扭转特性制成光纤 扭转角度传感器。王义平等人“”1 利用高频c 0 2 激光脉冲单侧写入长周期光纤光栅，制 作出能够判断扭曲方向的光纤扭曲传感器。s h a o h u ac h e n 等人“删基于长周期光纤光栅 的弯曲特性，制作出对应变和温度均不敏感的弯曲传感器。y l i u “”1 对长周期光纤光栅 的弯曲特性进行分析，并在5 6 m - 1 的范围内得到了1 4 5 n m m - 1 的弯曲灵敏度。c c y e ”和y o u n g g e u nh a n “1 等人分别利用一个长周期光纤光栅，实现对弯曲和温度的同时 测量，后者在0 2m 。1 到1 3m _ 1 的曲率范围内得到了2 8 1 8 3n m m - 1 的弯曲灵敏度。利 用长周期光纤光栅的横向压力特性，可以制成横向负载传感器。6 “3 “。 r h o u 【跚，b y e o n gh al e e 1 1 卯，刘云启【1 1 6 】和童治【1 1 7 】等人采用耦合模理论对长周期 光纤光栅的光谱特性随着环境折射率的变化进行分析，并采用数值模拟进行验证。 h e a t h e rj p a t r i c k 等人1 1 1 8 1 通过选择合适的光栅周期来提高长周期光纤光栅外界折射率的 敏感性。舒学文“1 等人发现导模与高阶包层模的能量耦合可以形成两个损耗峰，利 用这两个损耗峰的谐振波长对环境折射率敏感度的不同，制作出高灵敏度的折射率传感 器。k i ns e n gc h i a n g 等人“1 对长周期光纤光栅谐振波长与光栅区包层半径间的关系进 行定量分析，并用实验方法验证了减小包层半径调谐谐振波长和增强其环境折射率敏感 特性的作用。y a h e ik o y a m a d a 等人【1 2 2 】首次对环境折射率高于包层折射率的情况进行分 析，并与实验结果进行相互验证。利用长周期光纤光栅谐振波长对环境折射率敏感的特 性既可以制成折射率浓度传感器 1 2 3 , 1 2 4 , 1 2 5 】，也可以利用此特性对已经制作完成的长周 期光纤光栅的光谱特性进行调谐。为提高测量精度和增大光谱的调谐范围，可以利用h f 酸腐蚀包层的方法减小包层半径“2 ”。如果在长周期光纤光栅上镀膜，可以实现对化学 量的传感1 。 由于在较宽的光谱范围内，长周期光纤光栅的导模可以与多个包层