（通信与信息系统专业论文）局部微结构光纤光栅特性及传感研究.pdf

摘要 光纤光栅作为一种新型的传感器件，因其具有其他传统传感器没有的优势，从上个 世纪8 0 年代就受到人们的广泛关注，在近几年中，实现了飞速的发展。随着光纤光栅 技术的不断完善发展，光纤光栅在光通信领域的应用将越来越广泛。 近几年，基于光子带隙结构的器件( 如局部微结构光纤命拉格光栅) 因其使反射谱中 特定的光通过的特点越来越引起人们的广泛关注。局部微结构光纤光栅是将原布拉格光 纤光栅均匀分布的包层被侵蚀掉一部分，产生非周期分命的结构，此结构产生的特性使 光栅的反射谱中打开一个通带，此种带隙结构与相移光纤光栅非常类似，因而使其在微 流体、生物化学、和化学研究等方面具有了独特的传感优势。 本论文主要以局部微结构光纤布拉格光栅和局部微结构长周期光栅为研究对象，对 其温度和折射率的传感特性与应用进行了理论和实验的研究，主要内容包括： 1 )介绍了光纤光栅和局部微结构光纤光栅的发展历史及研究现状。简单介绍了光纤 光栅的写制方法，阐述了光纤光栅和局部微结构光纤光栅的传感优势及实用化所 面临的问题。 2 )简要介绍了光纤光栅的基本分析方法：耦合模理论、传输矩阵分析法，并简要分 析了其优缺点，在此基础上，从耦合模理论出发，基于传输矩阵法和相移理论， 使用c o m s o l 计算出局部微结构光纤布拉格光栅的相位变化，将刻蚀边缘的相位变 化代入相移矩阵，通过m a t l a b 得到局部微结构光纤布拉格光栅的频谱，并对非对 称结构、阶梯型结构、两端刻蚀结构的局部微结构光纤布拉格光栅进行数值模拟， 分析其特性并提出其应用前景。 3 )提供了一种同时测量液体温度和折射率的方法。作为传感探头的局部微结构光纤 光栅是采用氢氟酸腐蚀轴向包层的方法得到的，其频谱产生的主要变化是在原布 拉格反射峰内会产生一个透射窄带，使用局部微结构光纤布拉格光栅对液体温度 和折射率进行测量。两反射峰温度和折射率敏感系数基本相同，分别为 0 0 0 9 7 m o c 和5 l o n i l l r i u ，透射通带的温度和折射率敏感系数比两反射峰稍大， 分别为o 0 1 1 6 1 1 i l l o c 和5 2 8 彻1 r m ，根据以上特性，可使用局部微结构光纤布拉 格光栅同时测量液体温度和折射率。 4 )简要介绍了腐蚀长周期光栅的发展历史，并对局部微结构长周期光纤光栅进行了 理论分析和仿真，分析了包层厚度对灵敏度的影响。局部微结构长周期光栅可以 通过改变相移的大小和位置提供多种新的特性，因此可以应用于特殊目的的滤波 器。实验中用氢氟酸腐蚀长周期包层制作出局部微结构长周期光栅，并分别对温 度和折射率进行测量，其中温度敏感度为0 0 5 8 删o c ，折射率敏感度为 2 6 9 1 n m 爪i u ，其灵敏度比局部微结构光纤布拉格光栅要大，因此能更加精确的提 供液体温度和折射率传感。 关键词：光纤光栅传感技术局部微结构光纤光栅温度折射率同时测量c o m s o l a b s t r a c t f i b e r 伊a t i n gi san e w - t y p es e n s i n ge l e m e n ta n dh a sg a i n e da b r o a da t t e n t i o n 舶mi t s a p p e a r a n c ea n da c h i e v e dh i 曲一s p e e dd e v e l o p m e n ti nt h el9 8 0 s 1 1 1t h er e c e n t l yy e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to f 助e r 伊a t i n gt e c h i l o l o g y ，s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no ff b g s e n s o r h a sg o tm o r e r e c o 印i t i o ni no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s r e c e n t l y ，m ed e v i c e sb a s e do nt h es t r u c t u r eo fp h o t o n i cb a l l dg a p ，s u c h a sl o c a l m i c r o s t l m c t u r e d6 b e rb r a g gg r a t i n g ( l m s f b g ) ，a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s ei t h a sas p e c i a ls t m c t u r ew h i c hl e tl i 曲t si nd i 佰玎e n t 五r e q u e n c i e sp a s si nt h er e n e c t i o n 7 1 1 l l ec l a d o ff b gw a se t c h e dp a r t l yw h i c hp r o d u c e dt h e 蛐n l c t u r eo fn o n - p 耐o d i cd i s t r i b u t i o n t h e r e f o r e ，ap a s s b a n di nt l l es t o p b a i l dc 锄ei n t ob e i n gs i m i l a rt op h a s es m r 伊a t i n g s ol o c a l m i c r o s t m c 删孕硪i n gh a sau i l i q u e 敷i v a n t a g ei ns e n s i n gi nm i c r o n u i d i c s ，b i o c h e r i l i s t r y ，a i l d c _ h e l n i c a lr e s e a r c h 1 1 1 i sp a p e rp r i m 撕l yr e s e a r c h e so nl o c a lm i c r o s t m c t u r e df i b e rb r a g gg 阳t i n ga 1 1 dl o c a l m i c r o s t m c t u r e dl o n gp 嘶o dg r a t i n g ( l m s l p g ) ，t h e o 硎c a l l ya n de x p 鲥m 饥t a l l ya 1 1 a l y s e s t h e i rt 锄p e r 咖r ea i l ds u n o u n d i n gr e 仃a c t i v ei n d c xs e i l s i n g 研n c i p l e 锄d 叩p l i c a t i o n s t h e m a i nc o n t e n ti s ： 1 ) h lc h a p t e r1 ，t h eh i s t o r ) ，a 1 1 dr e s e a r c hs t a m so ff b ga n dl m s f b gi sd c p i c t e d ab r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h es y s t e mo ff i b e r 蓼a t i n g 、) l ，r i t i n gm e t h o di ss h o w n d c s c r i b ef b ga n d l m s f b gs s i n g a d v a i l t a g e s 锄dp r a c t i c a lp r o b l e m sw h i c hm u s tb ef a c e d 2 ) i l lt h es e c o n dc h 印t s e v e r a lt h e o 叮a i l a l y s i sm e t h o d si n c l u d i n gt h ec o u p l e d - m o d e t l l e o r y ，仃雠s f 矗m a t r i xa p p r o a c hf o rp r o p e r t i e so ff i b e r 孕a t i n g sa r ep r e s e n t e d t h e i ro w n c h a m c t e r i s t i c sa i l ds c o p eo fa p p l i c a t i o na r ea n a l y z e d o n “sb a s e ，w eu s ec o m s o l t o c a l c u l a t et h ep h a s es h i f to fl m s f b g 锄dg e tm es p e c 仇l i i l 栅l s 蠡玎m a t r i xo fm a t l a b t h ea s y m m 嘶c a ls t m c t u r e ， l a ( 1 d e r - t y p es 饥j c t u r e ，b o t l ls i d 镐e t c h e ds 觚l c t i l r e o f l m s f b g sa r es i m u l a t e d ，a n dc h a m c t e r i s t i c sa i l da p p l i c a t i o na r ca i l a l y z e d 3 ) a na l t 锄a t i v es o l u t i o nf o rs i m u l t a n e o u sm e a s l 舶r c m e n to ft e m p e r a t u r ea i l dr e f h c t i v e i n d e xi sp r e s e n t e d al o c a lm i c r o - s t m c t u r e d 肋e rb r a g g 则i n g ( l m s f b g ) 船m e s e l l s i n gh e a di s f 0 】m e dt h a tas t 锄d a r d 萨a t i n gi se t c h e db y f l u o r i ca c i d ( h f ) a c c o r d i n gt 0m ep h a s e s h i rt h e o r y ，t h em a i ns p e c n a lc h 锄g eo fl m s f b gi st h e f 0 肌a t i o no fan a r r o wa l l o w e db a n d u e sl m s f b gt om e a s u r et l l et e m p e r a t u r e 觚d r e 劬c t i v ei n d e xo fl i q u i d 1 1 1 et 锄p e r a t u r e s e n s i t i v ec o e 衢c i e n ta n dm es r i - s e i l s i t i v e c o e 伍c i e i l to f 俩or e n e c t i o np e a l ( si sa b o u t0 0 0 9 7n m 。ca i l d5 1 0 砌瓜i u t h e t 锄p e r a t u r e s e l l s i t i v ec o e 箍c i e ma i l dt h es r i s e n s i t i v ec o e 伍c i e n to f 慨l s m i s s i o np e a l ( i sa b o u t 0 0 1 1 6n m o ca n d5 2 8n 州r i u s ot h er e f l e c t i o np e a l ( sa n dt r a l l s m i s s i o np e a k o fl o c a lm i c r o - s t r u c t u r e df i b e r 伊a t i n gh a v eag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht e m p e r a t l l r e a i l dr e 仔a c t i v ei n d e x l m s f b gc a i la l s ob eu s e di nt l l ef e q u e i l c ys e l e c t i n gd e v i c e so f d u a l 一w a v e l e n 舀hl a s 既 4 ) t h eh i s t o 巧o fe t c h e dl o n gp 甜o d 伊a t i n gi sd 印i c t e d w es i m u l a t em el m s l p ga n d 觚a l y z e t h e c l a d d i n g t h i c k n e s so nm es e n s i t i v i 妙l m s l p gc a l ls h o wm a n y c h a r a c t 甜s t i c sb yc h a n 西n gt h es i z ea i l dl o c a t i o no fp h a s et h i rs oi tc a nb eu s e di nm a n y s p e c i a l f i l t e r s i i l e x p 研m e n t ，w em a k eal m s l p gt 0 m e a s u r et e m p e r a t u r ea n d r e 仔a c t i v ei n d e xo fl i q u i d t h es e n s i t i v i t i e so ft e m p e r 籼ea n dr e 纳c t i v ei n d e xa r e 0 0 5 8 刀，z o ca l l d2 6 91n m r i ur e s p e c t i v e l ya n da r em o r ea c c u r a t ec o m p a r e dw i t h f b g k 砖w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，s e l l s i n gt e c l m 0 1 0 鼢l m s f gl m s l p gt e n l p 删m r e ，r e 胁c t i v e i n d e x ，m e a s 啪e i l ts i m u l t a i l e o u s l y ，c o m s 0 1 第一章绪论 1 1 传感技术简介 第一章绪论 传感技术是和计算机技术、通信技术一同被称为信息技术的三大支柱。传感技术是 从上个世纪6 0 年代开始成为人们研究的目标，并在各国家的信息化发展中起到了决定 性作用【。上个世纪7 0 年代，光纤光栅作为传感器的发现对整个传感器家族贡献尤其卓 越【2 1 。光纤光栅传感器以体积小，质量轻，抗电磁干扰，易复用等优点而被广泛应用， 并成为光通信领域和传感界的热门研究目标【3 1 。 1 2 光纤光栅简介 光纤最早的应用并不是传感领域，而是光通信领域。1 9 7 0 年，美国的r o b e n m a u r e r 等人制作出第一根低损耗( 衰减为2 0 d b 胁) 石英光纤，并且首次达到了光通信标准。这 在光通信史上具有重要意义。直到19 8 0 年左右，光纤光栅传感技术才迅速发展起来， 并且以其独特的优势成为传感技术中的一颗新星【4 5 】。 光纤光栅是利用光纤具有的光敏特性制作而成的，光纤的光敏特性即当紫外光线对 掺杂光纤的纤芯进行曝光时，光纤的纤芯的折射率会随着光强发生相应的变化，从而形 成与光强分布相同的周期性折射率分布的特殊结构。当有光从纤芯入射到该区域，光的 本征参量会发生改变，然后把外界的传感信息加载到光波上，通过解调设备即可以得到 外界物理量的变化l 6 。 1 2 1 光纤光栅发展史 世界上第一根光纤光栅的诞生是在1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心由k o h i l l 等人制作的【7 】。实验中，h i l l 等人通过在掺锗石英光纤中注入波长为4 8 8 啪的氩离子激 光，产生了驻波条纹，从而发现了光纤的光致光栅效应，成功制作出首只光栅【8 】。创立 了光纤光栅历史上的一座重要的里程碑。但是这种方法的使用一直受到了限制，因为这 种方法需要掺锗浓度很高的光纤，并且要求纤芯直径很小，因此并没有得到广泛的应用。 1 9 8 9 年，美国的联合技术研究中心的m e l t z 等人采用u v 激光侧面写入法( 横向全 息成栅技术) 成功制作了光纤b r a g g 光栅【9 1 ，这种方法制作的光纤b r a g g 光栅可以满足不 同波长的需求的同时，还提高了写制光栅的效率，自此，光纤光栅的写制技术实现了突 破性进展。但是由于此种方法要求苛刻，对光源的环境的稳定性要求非常高，不利于光 第一章绪论 纤光栅的大批量生产和实用化。 1 9 8 9 年，m o r e y 首次提出将光纤光栅用于温度和应力的传感【1 0 1 1 1 ，测得光栅的温度 和应力的灵敏系数分别为1 1 1 0 之n i i i 。c 和1 2 x1 0 。n 州炸，这在传感史上具有划时代 的意义。 1 9 9 2 年，b a n 等人发现，光纤布拉格光栅的波长在1 5 5 0 n m 附近随轴向拉伸应力呈 正比关系，调谐速率为1 1 9 删m m ，b a l l 将这个特性应用于光纤激光器的波长调谐器件， 通过调整对光栅的应力，获得了1 0 m 的左右的波长调谐【1 2 】，这项发现对于人们研发新 型光子器件有重要意义，并对光通信与光纤光栅传感发展起到了促进作用。 光纤光栅的真正产业化和实用化是在1 9 9 3 年，k o h i l l 等人又提出了相位掩模法 之后才实现的【1 3 】。相位掩模技术是利用垂直于相位掩模的紫外光产生的干涉条纹反复曝 光载氢光纤实现光纤布拉格光栅的。该方法的最大特点是写出的光栅周期与相位掩膜有 关，而与辐射光的波长无关，因而这种方法对光源的要求不高。 自从h i l l 制作出第一根光纤布拉格光栅，随着光栅的生产和理论分析方法同趋成 熟，不同种类和结构的光栅的问世也越来越多：长周期光纤光栅、保偏光纤光栅、倾斜 ( 闪耀) 光纤光栅、相移光纤光栅、微结构光纤光栅、啁啾莫尔( 重叠写入) 型光纤光栅、 双包层光纤光栅、变包层光纤光栅、多模光纤光栅、少模光纤光栅等越来越多的投入到 光通信和传感领域。 1 2 2 光纤光栅的分类及几种常见类型 光纤光栅主要可以分为两类，一类是反射性光栅，例如布拉格光栅，一类是透射型 光栅，例如长周期光栅。光纤光栅的应用技术和写入成栅技术的研究以及光纤光栅传感 器的应用是现在光纤光栅的主要研究方向。 1 布拉格光栅 光纤布拉格光栅是最常见的一种光栅，其折射率调制深度和周期都是不变的，其周 期一般在1 岬以内，折射率调制范围在l o 一l o 一5 【1 4 】。布拉格光栅折射率分布可表示为 式( 1 1 ) ： n ( z ) = + 艿，l + ，l 。v c o s ( 2 万z 人)( 1 1 ) 布拉格光栅的模式耦合发生在正向传输和反向传输间。当有宽带光通过光栅时，满 足光纤布拉格条件的波长会发生反射，其余的光发生透射，这一特性就类似于在纤芯内 形成一面窄带的反射镜( 或滤波器) 。布拉格光栅的波长条件为 以= 2 心矿a ( 1 - 2 ) 式中，以是光纤布拉格光栅的中心波长，玎。矿是光栅有效折射率，人是光栅周期。因此， 布拉格光栅是纤芯折射率沿轴向周期分布的光纤介质材料的光无源器件。 2 相移光栅和多级相移光栅 第一章绪论 相移光栅和多级相移光栅相当于在均匀分布的布拉格光栅中存在一个或多个相移 点，这样可以在透射阻带中打开一个或多个透射通带，从而对一个或多个波长具有更高 的选择性【1 5 】。因此相移光栅可用于窄带滤波器和光纤激光器的选频器件等。 3 取样光栅 取样光栅即超结构光栅，当对光下布拉格光栅加一个周期性的调制函数就可以形成 取样光栅，其折射率变化如下式【1 6 】： 酬加卜c 抄叫洲翕卜c 争咧铷 m 3 ， p 为取样周期，l 为光栅总长度。 取样光栅的带宽窄，通道的间隔稳定，因而可作为梳状滤波器，在光通信中有重要 应用【1 7 1 。 4 倾斜光栅 倾斜光纤光栅即闪耀光栅，即成栅区域和纤芯轴呈一定的央角。其折射率分布如下 式【1 8 】： 昧赢i 螂( 务c o s l ( ) 式中，八是折射率变化后的光栅周期，目是栅区与纤芯之间的夹角。 5 长周期光栅 长周期光栅是一种透射型光栅，没有后向反射，其周期大约在几百微米【19 1 。其折射 率调制函数为 腮( z ) ：磊i1 + c o s ( 孚) l ( 1 5 ) l aj 长周期光栅的耦合模式主要发生在纤芯和包层模，因而，对外界的折射率也是敏感 的。当有宽带光通过光栅时，满足一下条件的光会耦合到包层，其余的光发生透射。 兄= ( 一) 人 ( 1 - 6 ) 式中，五是长周期光栅的中心波长，是纤芯的折射率，l f c 口埘是第i 阶轴对称包层模的 有效折射率。与布拉格光栅相比，优势在于可用于折射率传感等。 6 局部微结构光纤光栅 局部微结构光纤光栅是对光栅( 布拉格光栅或长周期光栅) 进行局部腐蚀或刻蚀，使 其局部栅区包层变薄，从而在刻蚀边缘引入一个相位延迟【2 0 ，2 1 1 ，从而改变一般光栅的反 射或滤波特性，在双参量测量方面具有潜在优势。 第一章绪论 1 3 光纤光栅的写制技术4 内写入法和外写入法是用掺杂光纤制作光栅的主要方法【2 2 之6 1 。内写入法主要利用双 光子吸收原理，双光子吸收原理是光在纤芯内部传播的时候形成驻波所产生的，因此， 内写入法是个全息制作过程。外写入法主要包括：相干u v 光全息干涉技术，相位掩 膜写入法和点点成栅技术等。 1 3 1 内部写入法 内部写入法( 驻波法) 是1 9 7 8 年h i l l 等人提出的，h i u 用此方法制作出第一根布拉格 光栅【7 】，通过从端面耦合在一个掺锗光纤中注入4 8 8 m n 的单模氩离子激光，通过分光器， 光电探测器l 检测出光纤中返回的光，光电探测器2 检测透射光。经过光纤另一端面的 反射，光纤中的入射和反射激光可干涉形成驻波，其结构如图1 1 所示。由于光纤具有 光敏性，纤芯折射率会发生与驻波周期相同的周期变化，于是便形成了布拉格光栅。因 为用内部写入法制作的光栅性能比较差，写制效率低，实验条件要求苛刻，所以内部写 入法已很少使用。 广_ ! 光j f 电】 探 测； ! 器； 1 l j 1 3 2 外写入法 图1 1 驻波法制作布拉格光栅原理图 广 ! 光! 电 探 测 器 廿 外部写入法比较灵活，因而方法也很多，可以制作不同波长需求的布拉格光栅，下 面简要介绍一下相位掩膜法和u v 光全息法。 1 相位掩膜法【2 7 之9 】 相位掩膜法制作光栅是利用相位掩膜板完成的。相位掩模板是可以将入射光束一分 为二的衍射光学元件，被分为两束的+ l 级和一1 级衍射光束的光功率相等，由于是由同 一束光分成的两束激光，因此这两束激光可以相干涉并形成明暗相间条纹，纤芯折射率 在相应的光强作用下受到调制。相位掩模板是具有抑制o 级，增强l 级衍射的功能的石 英衬底上刻制的相位光栅。u v 光入射经过相位掩模板形成衍射光，使形成的衍射光侧 面照射光纤，因光纤具有光敏效应可在光纤上形成不同周期的光栅。相位掩模制作光栅 第一章绪论 的系统结构示意图如图1 2 所示。 光栅 形状 、 入射u v 光 九nn n i 心1 硅玻璃相位光栅 ( 抑制零级) 心 ： 图1 2 相位掩膜法示意图 将相位掩膜放置在光刻装置中，入射u v 光经过掩膜后发生衍射，产生衍射条纹， 光纤垂直于掩膜光栅的条纹，当入射光与相位光栅呈9 0 0 时，由光栅方程可得 d ( s i n 口+ s i n 缈) = m 五( 1 - 7 ) 其中d 是相位光栅问距，口是入射角，缈是衍射角。当秒= 0 0 时，有d s i n 伊= 历五，+ l 级 和一l 级衍射光束发生相干，光栅周期 a ：土：堡 ( 1 8 ) 2 s i n 驴 2 旯2 可见光栅周期等于干涉条纹的一半，而与u v 入射光的波长无关，这是相位掩膜法独特 的优点，这对于批量快速写制光栅具有重要指导意义。 2 u v 光全息法【3 0 1 u v 光全息法是选定合适的波长后，光纤纤芯的折射率是在两束相干光的诱发下发 生永久性变化的，制成光栅的周期不仅与入射光的波长有关，还取决于两束光的夹角， 其原理图如图1 3 所示： 第一章绪论 r 一一 j 光源i 一 ：一 兜 反射镜 镜 光纤光栅 图i | 3u v 光写入原理 _ _ - _ 。，1 一 一光谱分析仪 l 一一一j 首先将光栅的包层去掉，使光纤纤芯直接裸露在两束垂直光的作用下发生折射率永 久性改变形成光栅。u v 光全息法制作的光栅反射率高，稳定性好，可以调节两束诱导 光的夹角和全息图条纹的距离来得到不同中心波长的御拉格光栅，但对光源和光路的稳 定性要求很高。 1 3 3 光栅的其他写入方法 除了上述的方法外，光栅的写入方法还有在线写入法和点点写入法【3 1 。5 1 等。在线写 入法制成的光栅的反射率与光源的脉冲能量和光纤的拉制速度有关，脉冲能量越大，反 射率越高，适用于大批量生产光栅。点一点写入法可以通过控制曝光点之前的距离来制 作周期性或非周期性的光栅，此方法具有方便灵活的特点，但是对机械传动精度要求比 较高。 表1 1 是对各光栅写制法的比较。 表l l 不同栅弓制法的比较 写制方法中心波长( 入b 岬) 反射率( )特点 内写入驻波法 1 1 1 45 0 系统稳定性要求高，光栅 易退化，使用性差，反射 率低 外写入u v 光全息法 0 5 7 67 6中心波长可变；系统稳定 性好，曝光时间长 单脉冲法a o 7 5 0 7 72 外界干扰小，速度快，能 量小 单脉冲法 1 5 51 0易于在线制造，反射率低 第一章绪论 相位掩膜法 1 5 31 6反射率高，调制度深，栅 长长，灵活方便 1 5 01 0 0同脉冲法结合有发展潜 单脉冲掩膜法力，是目i j 使用最多，最 有潜力的 单脉冲n b + ：l y f 法 1 5 4 5 0 在线写入单脉冲法 1 5 52 1 0 0 光纤拉制同时写制光栅， 易于大批量生产 点点写入法0 6 o 9 可以写入任意周期的光栅 1 - 4 局部微结构光纤光栅的出现和发展 1 4 1 局部微结构光纤光栅的出现 随机飞秒激光技术和腐蚀技术的发展，出现了两种制作光学器件的新方法：飞秒激 光刻蚀法和化学腐蚀法。飞秒激光刻蚀法是使用飞秒激光器直接对光学器件物理结构进 行较为精细的改造且适合加工的材料选择范围非常广泛。化学腐蚀法是直接利用具有腐 蚀性的溶液( 如氢氟酸溶液) 腐蚀光纤、光纤布拉格光栅及长周期光纤光栅包层直径的 方法。 局部微结构光纤光栅最早是在2 0 0 5 年由a c l i s 锄。等人提出的，开创了局部微结构 光纤光栅研究的新领域【3 6 1 。他们在普通的光纤布拉格光栅的栅区中央进行局部刻蚀，使 其局部栅区包层变薄，原布拉格频谱的反射峰上产生了一个反射阻带，产生了新特频谱 特性。从此，这种新型的光纤光栅越来越受到世人的关注。 1 4 2 局部微结构光纤光栅的发展 2 0 0 5 年，a i a d i c i c c o 等人用制各出的局部微结构光纤光栅分别在三种不同包层直径 和缺陷长度中测得介质折射率，分辨率达l o 畸，并用多层法分析得到包层直径、侵蚀长 度、介质折射率与光栅反射率及布拉格波长漂移的关系【y 7 3 8 】。2 0 0 7 年，a c u s a i l o 等人对 局部微结构光纤光栅进行了系统的仿真和实验，证明局部微结构光纤光栅在微流体、生 物化学、和化学研究等方面具有了独特的传感优势【”舯】。2 0 0 8 年，邓洪有等人研究了一 种制作微结构光纤光栅的方法即先腐蚀光纤的包层，再往腐蚀后的光纤上写制长周期光 栅，发现这种方法能更加有效的调整谐振波长【4 1 1 。2 0 1 0 年，赵明富等人利用全部刻蚀的 光纤布拉格光栅制作了倏逝波传感器，在相同的外部折射率变化范围内，光栅直径越小， 传感器的折射率灵敏度越高，但是没有解决交叉敏感问题【4 2 1 。2 0 1 0 年，杨秀峰等人利用 氢氟酸腐蚀法制作局部微结构光纤光栅，并对液体温度进行测型4 引，发现反射峰和透射 第一章绪论 峰对温度的线性度良好，在此基础上，提出可制作基于局部微结构光纤御拉格光栅的液 体温度和折射率传感器。 1 5 光纤光栅传感优势及面临的问题 1 5 1 光纤光栅传感优势 光纤光栅作为一种具有众多优点的新型的光学器件，自从其问世以来就受到人们的 关注和广泛的研究。光纤光栅在各个领域具有广泛的应用，尤其在传感领域，具有其他 传统传感器无法比拟的优判4 4 书】。 l 与传统的传感器相比，光纤光栅传感器采用光波作为外界传感信息的载体，将外界传 感信息加载在波长上，具有不受光强影响等优点 2 光纤光栅传感器与光纤熔接，损耗极低且性能比其他传感器稳定。 3 多个光纤光栅可以同时写制到一根光纤中，应用在波分、时分等复用系统中，可实现 分布式传感，在桥梁、大坝等大型建筑的健康安全检测具有广泛应用。 4 光纤光栅的材料是光纤，因此也具有光纤的特性，柔软质轻，耐高温、腐蚀，抗电磁 干扰等特点。因此，光纤光栅可应用在大型电力系统的温度监控系统。 5 比电类传感器测量范围大，灵敏度和测量精度高。 6 传感应用成本较低。 1 5 2 光纤光栅传感技术研究状况及需要解决的问题 因为温度和应变都会改变光栅的周期，所以温度和应变是光纤光栅可以直接测量的 物理量。这样，在测量的波长漂移时就会使人们对温度和应变加以混淆，温度和应变的 交叉敏感问题极大地限制了光纤光栅传感的应用。目前，针对解决交叉敏感问题，人们 提出了一些方案，大多属于补偿方案，这些补偿方案的基本原理都是利用两个具有不同 温度和应变灵敏度的光纤光栅，来对温度和应变进行测量。因此需要多根光栅，这就大 大提高了应用的成本。因此，研制新型低成本的补偿方法，是光栅传感实用化需要迫切 解决的问题 5 m 5 3 】。 当光纤光栅受到外界作用时，光栅的中心波长会发生改变，光信号会受到调制。采 用光谱分析仪和单色仪等设备可以实现对外界参数变化的测量。但这些仪器价格昂贵且 体积庞大，因此大大限制了光纤光栅传感的实用化，只适合在实验室中使用。为此开发 多种用于波长变化的测量的解调技术是十分重要的。 裸栅的直径仅仅为1 2 5 岬，因此光栅在恶劣的环境下很容易折断，并且裸栅的温度 第一章绪论 和应变的灵敏度比较低，这就需要对光栅进行封装进行保护和增敏。常见的应力增敏技 术有材料增敏和结构增敏。结构增敏的封装后体积较大，工艺较复杂，且粘贴不方便， 对粘贴剂的要求比较高。材料增敏可将应力的灵敏度增加1 1 倍左右，但是存在的问题是 粘贴不牢固，使用年限短的缺点。温度增敏主要有聚合物增敏，但是聚合物增敏技术的 缺点是当温度变化时，高分子聚合物产生的不均匀伸缩致使光纤光栅弯曲，导致测量不 够准确。对光纤光栅进行合适的封装增敏并解决应变和温度交叉敏感问题是光栅传感普 及需要面临的问题。 1 5 3 局部微结构光纤光栅需要解决的问题 局部微结构光纤光栅是近几年才刚刚出现的新型光栅，因其反射谱中在两反射峰中 可以使特定波长的光透射的特点，越来越引起人们的关注。局部微结构光纤光栅是写在 光纤饰拉格光栅上，然后对宿主光栅进行处理，使宿主光栅栅区的局部产生微小的特殊 结构，因而得名。现在的刻蚀局部微结构光纤光栅方法主要包括化学腐蚀法即氢氟酸腐 蚀的办法和飞秒激光器刻蚀的办法。 对于局部微结构光纤光栅，目前提出的制备方法多基于化学腐蚀的方法，操作虽然 不复杂，但刻蚀端面不够理想，且多为对称刻蚀。刻蚀时间较长，不便于控制。局部微 结构光纤光栅不同刻蚀模式所对应的频谱特性尚未得到全面分析。另外，基于局部微结 构光纤光栅的传感应用，多集中于测量介质折射率及用于滤波器，未发挥其更大的利用 价值，虽然如此，但是局部微结构光纤光栅仍然具有很好的应用前景。 1 6 本文主要内容 全文包括五章，其内容如下： 第一章介绍了光纤光栅和局部微结构光纤光栅的发展历程及研究意义。简单介绍了 光纤光栅的写制方法。阐述了光纤光栅和局部微结构光纤光栅的传感优势及实用化需要 解决的问题。 第二章介绍了光纤光栅的分析方法：耦合模理论，分析了它们的各自特点。并在此 基础上，结合传输矩阵法和相移理论分析局部微结构光纤布拉格光栅，通过c o m s 0 1 和 m a t l a b 软件对不同刻蚀长度和刻蚀深度的局部微结构光纤布拉格光栅进行仿真，总结刻 蚀长度和刻蚀深度对局部微结构光纤布拉格光栅频谱的影响。进而仿真分析了非对称结 构，阶梯型结构，两端刻蚀结构的局部微结构光纤布拉格光栅频谱特性，并预测其应用 价值。 第三章首先简要介绍了两种局部微结构光纤光栅的制作方法。然后在实验中制作局 部微结构光纤布拉格光栅对其温度和折射率进行测量，两反射峰的温度和折射率敏感系 数基本相同，为o 0 0 9 7i 吼o c 和5 1 0n 州r i u ，透射峰的温度和折射率敏感系数为 0 0 1 1 6 姗o c 和5 2 8 n 州r i u 。提出其在同时测量液体温度和折射率方面的应用价值。 第一章绪论 第四章基于耦合模理论和相移理论，对局部微结构长周期光纤光栅进行了理论分析 和仿真，模拟了包层直径为1 2 5 啪和3 5n m 的长周期光栅的不同包层模有效折射率变化， 分析了包层厚度对灵敏度的影响。实验中用氢氟酸腐蚀长周期包层制作出局部微结构长 周期光栅，并分别对温度和折射率进行测量，其中温度敏感度为0 0 5 8 n m o c ，折射率 敏感度为2 6 9 1 n 州r i u ，其灵敏度比局部微结构光纤布拉格光栅要大，因此能更加精确的 提供液体温度和折射率传感。局部微结构长周期光栅可以通过改变相移的大小和位置提 供多种新的特性，因此可以应用于特殊目的的滤波器。 第五章对全文进行总结概括，并展望未来。 1 7 本论文的主要创新点 本文基于局部微结构光纤布拉格光栅和局部微结构长周期光栅，通过实验研究其各 自的传感特性，做了如下工作： 1 提出了多种局部微结构光纤布拉格光栅光纤光栅刻蚀模式，并模拟分析并实验验证 了其各自的光学特性及应用。 2 提出了一种基于局部微结构光纤布拉格光栅的液体温度和折射率同时测量的传感 器，指出其可以应用在双波长光纤激光器的选频器件。 3 对局部微结构长周期光栅进行仿真，实验中制作出局部微结构长周期光栅，并对温 度和折射率进行测量，其灵敏度比长周期光栅要大，因此能更加精确的提供液体温 度和折射率传感。 第二二章局部微结构光纤光栅理论分析方法 第二章局部微结构光纤光栅理论分析 目前，成熟的光纤光栅的理论分析方法主要有耦合模理论分析法唧】、傅罩叶变化分 析法【5 5 1 、传输矩阵分析法【5 6 】、b l o c h 理论法和多层模分析法【5 7 】等，不同的分析方法适应 不同特性的的光栅。 当光栅形成时，亦即紫外光线照射到光纤的纤芯时，理论上可以认为是对纤芯的一 种微扰，此时光纤的非正规模场可使用耦合模理论进行分析。从而可以得到均匀周期的 布拉格光栅和长周期光栅的解析解。然而对于非均匀周期的光栅，如啁啾光栅和相移光 栅，耦合模理论的解变得十分困难，这时一般采用传输矩阵法进行分析。传输矩阵法的 特点在于能够进行快速、准确的计算。在传输矩阵法中，无论是均匀周期还是非均匀周 期的光栅，都视为由一个个小的均匀周期的子光栅串联组成，每一个子光栅具有自己的 传输特性，并且都可以用传输矩阵柬表示。结合每个子光栅的边界条件，将所有子光栅 的传输矩阵按顺序相成，就得到整个光栅的传输矩阵。反射率较低的光栅的反射率和耦 合系数存在傅氏变化的关系，因而在分析时可使用傅里叶变化分析法，其特点是透彻， 快捷，但不适用于反射率较高的光栅。 基于以上分析方法的特点，本章主要基于耦合模理论和传输矩阵分析法对局部微结 构光纤光栅进行理论分析，仿真得到了刻蚀长度和刻蚀深度对局部微结构光纤布拉格光 栅的频谱特性的影响，并模拟了不同刻蚀结构的局部微结构光纤布拉格光栅。 2 1 局部微结构光纤光栅的理论分析方法 2 1 1 光纤光栅耦合模理论 耦合模理论分析法是光纤光栅分析的最基础的方法，该方法可以求解周期性光栅对 应的非正规模场，准确的描述光栅的同类模之间、不同类模之间的功率交换过程。耦合 模理论是目前公认的能够快速，准确描述光栅中光波耦合过程的理论，特别适用于周期 性光栅的分析。因而是分析光栅频谱分布与衍射能量的常用工具。 从推导麦克斯韦方程组出发，在理想的光纤中，假设没有外界微扰，光场的横向分 量可以表示为各个l p 模的叠加： e r ( x ，y ，z ，f ) = 以( z ) e x p ( 织z ) + 色( z ) e x p ( 一讽( z ) k ( x ，y ) e x p ( 一泐f ) m 1 其中，4 ( z ) 和e ( z ) 分别为沿光纤轴向正、负方向传播的第n 阶模的渐变化振幅，传 第二章局部微结构光纤光栅理论分析方法 。 播常数用= ( 2 万五) ，锄表示。第n 阶的截面场分布用( 石，y ) 来描述，在理想情况下， 能量的交换不存在于这些模式之间，因为这些模式互相正交。但在微扰的情况下，这些 模式间将发生耦合，振幅将沿着z 轴发生变化，4 ( z ) 和只( z ) 可分别表述为 訾= 莩4 ( 略+ ) e x 枇圳引 ( 2 _ 2 ) + f 哆( 一c 三) e x p 一f ( 岛+ 成) z 誓叫莩4 ( 一咖枇堋引 ( 2 3 ) 一f 哆( + c 三) e x p 一f ( 岛一成) z 式中，c ：( z ) 为第j 个和第n 个模式之间的耦合系数，可表示为 c 二( z ) = 詈占( x ，y ，z ) 巧( x ，y ) ( x ，y ) 州) ， ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中，s ( x ，y ，z ) 为介电常数微扰，当万刀 刀时，其大小约等于2 ，z 万玎万。同理， 纵向耦合系数也可以如此定义，一般情况下，因为光纤中c ：( z ) 远远小于c ：( z ) ，故 c ：! ：，( z ) 的影响可忽略不计。如果规定 ( z ) = 竺严翻( z ) 妣螈( z ，y e ，( x ，y ) ( 2 5 ) ( z ) = 寺( z ) ( 2 - 6 ) 则耦合系数 巳( z ) = ( z ) + 2 ( z ) c o s 等+ 缈( z ) 】 ( 2 7 ) 令万：一军，r ( z ) ：彳( z ) 唧( f 艿z 一伊2 ) ，s ( z ) = 曰( z ) e x p ( 一话z + 驴2 ) ，则2 2 和2 3 可 化简为 华：谚+ f 砖( z ) = z 盯+ z r j i z l 口z 堡! ：一谚s ( z ) 一f k r ( z ) 韶 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 式中占是自耦合系数，鬈是互耦合系数。式( 2 8 ) ，( 2 9 ) 即布拉格光栅的耦合模方程。 将边界条件尺( 一2 ) = l ，s ( 2 ) = 0 ( l 是布拉格光栅的长度) 代入( 2 8 ) ，( 2 9 ) 可以 得到布拉格光栅的反射系数，= s ( 一三2 ) 尺( 一2 ) 和反射率尺= l 厂1 2 。光纤光栅的光谱性 质可以由反射率得到。 2 1 2 传输矩阵分析法 传输矩阵法适用于非均匀周期的光栅，可认为将非均匀周期的光栅分成若干子光 栅，整个光栅则是由这些子光栅级联组成。每个子光栅可由一个2 2 矩阵来表示，整段 第二二章局部微结构光纤光栅理论分析方法 非均匀周期的光栅可由所有子光栅的矩阵相乘得到，利用这个矩阵可以轻松得到非均匀 周期光栅的透射率等参量。 根据边界条件，r ( 一2 ) = 1 ，s ( 2 ) = o ，假定光栅长度为l ，均匀周期光栅的传输 矩阵可表示为： 瞄和瞄州矧瞄刳 亿 s ( 一三2 ) ls ( 2 ) i1 只le 2 | ls ( 2 ) l 、 ，为传输矩阵，其所包含的元素可表示为： e j = 砭= c o s h ( y 三) + 竺s i n h ( y l ) ( 2 一1 1 ) 互，= e ：= 兰s i 眦y ) ( 2 - 1 2 ) 厂百 其中y = v 后2 一仃。 将非均匀周期光栅分成m 段，认为每段是均匀周期的，且长度相等。一般而言，m 不能太大，因为当m 太大时，每段子光栅的长度就会相应缩短，当子光栅长度仅仅是 光栅周期的几倍时，耦合模理论将不适用，因此，必须保证 m “型 ( 2 1 3 ) 乃 满足以上条件后，定义第i 段传输矩阵为f ，则 阱e 网 亿 r 和墨分别是第i 段子光栅的正向传输和反向传输的振幅。二阶矩阵e 可表示为式 ( 2 - 1 5 ) ： c =龇驴毒s i i l l l ( 脚 _ ，鲁s 州脚 乃“ 一，冬s i n h ( 乃厶