（光学工程专业论文）金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究.pdf

金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究中文摘要 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 中文摘要 光纤光栅是光通信、光传感及光信息处理等领域最为重要的光无源器件之一。 此外，光纤光栅，尤其是长周期光纤光栅( l p f g ) 还对外界折射率的变化很敏感。由于 折射率传感在生化应用方面的重要性，如环境监测、医学诊断、石油化工等方面，所 以基于折射率传感的光纤光栅生化探测技术正处于不断深入的研究之中。 本文以长周期光纤光栅为研究对象，针对其基本特性、传感应用等问题进行了理 论探讨和数值分析，主要内容包括：阐述了光纤光栅、长周期光纤光栅传感器的发展 和研究现状；用耦合模理论分析了长周期光纤光栅的光谱特性，分析研究了光栅参数 对其透射谱的影响；介绍了利用长周期光纤光栅进行传感测量的理论基础，并对它们 在传感测量过程中温度灵敏度和应变灵敏度系数进行了详细的分析；提出了单端反射 式镀金属薄膜的长周期光纤光栅传感设计，突破了传统长周期光纤光栅只能进行透射 测量的局限。建立了基于c 0 2 激光器的长周期光纤光栅制作系统，并实验制作了长周 期光纤光栅折射率传感器，对它们的传感特性进行了具体的实验研究。实验发现不同 的金属膜显示了不同的折射率敏感度，不同的金属膜厚度也具有不同的敏感度，被测 环境折射率越接近光纤包层的折射率，折射率传感器灵敏度越高。具有金属薄膜的单 端反射式l p f g 比传统透射式l p f g 具有更高的折射率测量灵敏度。 关键词：长周期光纤光栅；金属薄膜；耦合模理论：折射率传感；表面等离子波 作者：赵敏福 指导教师：王钦华 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究a b a t r a c t s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f r e f r a c t i v ei n d e xu s i n gl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g sw i t hm e t a l l i cc o a t i n g s a bs t r a c t f i b e rg r a t i n g ，i n c l u d i n gb o t hf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) a n dl o n g p e r i o df i b e r g r a t i n g ( l p f g ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a s s i v ed e v i c e si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ， o p t i c a ls e n s i n g a n d o p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s f i b e rg r a t i n g s ， e s p e c i a l l yl p f g s ，a r ev e r ys e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no fr e f r a c t i v ei n d e xo fe x t e r n a lm e d i a v i e w i n gt h ei n c r e a s i n gi m p o r t a n c eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n gi nb i o c h e m i s t r y , e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，m e d i c a ld i a g n o s t i c s ，a n do i li n d u s t r y , t h ef i b e rg r a t i n gb a s e d s e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h ef u n d a m e n t a ls e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl p f g sb a s e dd e v i c e sa r e p r e s e n t e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：p r o g r e s so f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff i b e rg r a t i n gb a s e ds e n s i n gt e c h n o l o g yi sr e v i e w e df i r s t l y ； t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fl p f g sw i t l ld i f f e r e n tg r a t i n gp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e du s i n g c o u p l e dm o d et h e o r y ；t h et h e o r e t i c a l b a s i so fl p f g sb a s e ds e n s i n gt e c h n o l o g yi s p r e s e n t e d ，i nw h i c ht h es e n s i n gs e n s i t i v i t i e so fl p f go nt e m p e r a t u r ea n ds t r e s sa r e a n a l y z e d an o v e ls i n g l e - e n d e dr e f l e c t i o nt y p e o fl p f g 、析t 1 1m e t a l l i c c o a t i n g si s p r o p o s e d ，w h i c hb r e a k st h el i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a lt r a n s m i s s i o nt y p eo fl p f gb a s e d s e n s o r s a ne x p e r i m e n t a ls e t u pt h a ti su s e df o rw r i t i n gl p f gu s i n gc 0 2l a s e ri s e s t a b l i s h e d ，i nw h i c hv a r i o u sl p f g sb a s e dr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r sa r ef a b r i c a t e d ，a n d t h es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u ss e n s o r sa r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y i ti sf o u n d t h a td i f f e r e n tm e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t i e sc a nb eo b t a i n e du s i n gd i f f e r e n tm e t a l l i cc o a t i n g s a n dd i f f e r e n tt h i c k n e s s e so fs a m em e t a l l i cm a t e r i a l t h eh i g h e r s e n s i t i v i t y c a nb e o b t a i n e dw h e nt h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ee x t e m a lm e d i ai sc l o s e rt ot h a to ft h ec l a d d i n g o ft h ef i b e r t h ep r o p o s e ds i n g l e e n d e dr e f l e c t i o nt y p eo fl p f g sw i t l lm e t a l l i cc o a t i n g s i i 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 a b a t r a c t a r ef o u n dt ob em o r es e n s i t i v et h a nt h ec o n v e n t i o n a lt r a n s m i s s i o nt y p eo fl p f g s 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 ( l p f g ) ；m e t a l l i cc o a t i n g s ；c o u p l e dm o d et h e o r y ； r e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n g ；s u r f a c ep l a s m aw a v e s i l l w r i t t e nb yz h a om i n f u s u p e r v i s e db yw a n gq i n h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本入郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：壑型虽 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 褪扎福 日期：2 1 1i ：皇 日期：趋军12 篁 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第一章绪论 i 1 光纤光栅简介 1 i 1 光纤光栅的发展 第一章绪论 1 9 7 8 年，加拿大握太华通信研究中心的h i l l 等人首次利用4 8 8 n m 氢离子激光 器在掺锗光纤中产生驻波干涉条纹，从而导致光纤的折射率沿轴向产生周期性的改 变，制造出了世界上第一根光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 。由于这 种方法制作的光栅的中心波长与所用光源的写入波长相同，致使光纤光栅的特性不 良、制作效率低，因而在一定程度上限制了其研究和发展。 1 9 8 9 年美国联合技术研究中心的m e l t z 乜3 等人提出了用两束相干的紫外光形成 的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入b r a g g 光栅的横向全息成栅技术。该方法虽然允 许在可用波段任意选择写入波长，但由于对光源、周围环境的稳定性及光源的相干 长度要求过高，所以并没有使其走向实用化阶段。 1 9 9 6 年，a t & t 贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人用紫外光通过振幅掩模板 照射氢载硅锗光纤首先研制成了现在通常意义上长周期光纤光栅( l o n gp e r i o d f i b e rg r a t i n g ，l p f g ) ：同年，b h a t i a 等人详细研究了它的相关特性，提出了l p f g 在通信和传感领域中的应用。 1 9 9 7 年，t e r d o g a n 口。4 1 相继发表了两篇论文，从模式耦合的角度深入研究了 l p f g 的光谱特性，从而奠定了l p f g 的理论基础。 1 9 9 8 年，d a v i s 1 等首次提出了用c o ：激光脉冲轴向周期性加热光纤写入l p f g 的技术；2 0 0 1 年，饶云江1 用计算机控制的聚焦高频c 0 。激光脉冲在普通单模光纤 中高效率、高质量地写入了低成本的l p f g 。 目前，l p f g 的理论研究、制作技术和实际应用已进入了一个新的发展阶段。 它的出现和兴起，不仅为光纤光栅家族增加了重要的一员，极大地开拓了人们的视 野，而且也必将在光纤通信、光纤传感及光信息处理等领域发挥更大的作用并拥有 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第一章绪论 更具潜力的应用价值和前景。 1 1 2 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。根据不同的分类标准，我们可以把光纤光栅分成不同的类别。 ( 1 ) 按光纤光栅的周期分类 根据光栅周期的长短，把周期小于l u m 的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称 为布拉格光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) ：而把周期为几十到几百t i m 的光 纤光栅称为长周期光纤光栅( l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 。f b g 中传输方 向相反的两个模式之间发生耦合，f b g 是一种反射型工作器件，其功能实质上是在 光纤内的一个窄带反射镜。l p f g 中耦合发生在同向传输的纤芯导模和包层模之间， 它是一种透射型工作器件，其功能实质上是透射型带阻滤波器盯1 ，是e d f a 增益平坦 呐1 和光纤传感n 们的理想元件。 ( 2 ) 按光纤光栅的轴向折射率分布分类 根据光栅空间周期和折射率分布不同，如图1 - 1 所示，可大致分为以下几种 1 1 - 1 2 】 4 】： i ) 均匀光纤光栅 b ) 闪耀光纤光栅( c ) 碉啾光纤光撮 d ) 高斯变迹光纤光艟 ( e ) 相移光纤光栅国超结构光纤光栅 图1 _ 1 按折射率分布分类的光纤光栅 2 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第一章绪论 1 ) 均匀光纤光栅( u n i f o r mf i b e rg r a t i n g ) 均匀光纤布拉格光栅是最早发展起来的一种光栅，也是最常见的光栅，其栅格 周期与折射率调制深度均为常数，其光栅周期一般为几百衄，光栅波矢方向与光纤 轴线方向一致。这种光纤光栅具有较窄的反射带宽( ，- - 1 0 衄) 和较高的反射率( 1 0 0 ) ，其反射谱具有对称的边模旁瓣。 2 ) 闪耀光纤光栅( b l a z e df i b e rg r a t i n g ) 闪耀光纤光栅也称为倾斜光纤光栅( t i l t e df i b e rg r a t i n g ) 。在光栅制作过程 中，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直，导致光栅条纹与光纤轴有一个小角度。闪 耀光栅不仅引起反向导波模耦合，而且还将基模耦合至包层模中或辐射模中。于是 在光栅传输曲线上，布拉格波长的短波方向会出现一系列损耗带，其强度随闪耀角 大小而变，对应着基模和反向传输的其它导模之间的耦合。闪耀光纤光栅主要用于 e d f a 的增益平坦n 3 3 和空间模式耦合器n 制。 3 ) 啁啾光纤光栅( c h i r p e db r a g gg r a t i n g ) 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的，有线性啁啾光纤光栅和 非线性啁啾光纤光栅两种。由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，啁啾光栅 能够形成很宽的反射带。啁啾光栅能够产生大而稳定的色散，被广泛用于波分复用 系统中的色散补偿元件n 5 。田。 4 ) 变迹光纤光栅( a p o d i s e df i b e rg r a t i n g ) 采用特定的函数对光纤布拉格光栅的折射率调制深度进行调制，可形成变迹光 纤光栅n 刀n 钔。变迹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 同的变迹函数能起到不同的抑制效果，常用的变迹函数有高斯函数( g a u s s i a n ) 、 双曲正切函数( t a n h ) 、余弦函数( c o s ) 和升余弦函数( r a i s e dc o s ) 等。这种光栅在 d w d m 中有很重要的应用。 5 ) 相移光纤光栅( p h a s e - s h i f t e df i b e rg r a t i n g ) 相移光纤光栅n 明是在均匀周期光纤光栅的某些点上，通过某些方法破坏其周期 的连续性而得到的。可以把它看作是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第一章绪论 连接都会产生一个相移。相移布拉格光纤光栅能够在布拉格反射带中打开透射窗 口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度m 1 ，可以用这个特点来构造多 通道滤波器件啪1 ，能更好地满足e d f a 增益平坦的需要乜。 6 ) 超结构光纤光栅( s u p e r s t r u c t u r ef i b e rg r a t i n g ) 超结构光纤光栅乜2 1 的折射率调制是周期性间断的，相当于在光纤布拉格光栅或 啁啾光纤光栅的折射率调制上又加了一个调制函数，即可将其看作是对光纤布拉格 光栅或啁啾光纤光栅按照一定的规律在空间上进行取样的结果，因此超结构光纤光 栅又被称为取样光纤光栅，其反射谱具有一组分立的反射峰。超结构光纤光栅在梳 状滤波器以及多波长激光器领域3 具有应用价值，可实现多个信道的同时补偿犯引。 7 ) 莫尔( m o i r e ) 光栅 莫尔光栅是采用两个具有微小周期差异的紫外条纹对光纤的同一位置进行二 次曝光的结果，其谱特征是在反射带中开了一个很窄的透射窗口，莫尔光栅实际上 相当于一个入4 的相移光栅心钔。 ( 3 ) 按光纤光栅的形成机理分类 按光纤光栅的形成机理，光纤光栅可分为嘶1 ：利用光纤光敏性形成的光纤光 栅，其特点是利用紫外曝光掺杂光敏光纤或载氢掺锗光纤诱导其光敏性而导致纤芯 折射率的周期性调制，从而形成光纤光栅：其代表是通过相位掩模板瞳刚或振幅掩模 板3 制作的光纤光栅：利用弹光效应形成的光纤光栅，其特点是利用周期性的残 余应力释放或光纤的物理结构变化从而使光纤轴向周期性地改变光纤的应力分布， 通过弹光效应导致光纤折射率发生周期性变化而形成光纤光栅，此类光纤光栅一般 为长周期光纤光栅，其代表有电弧放电使光纤微弯馏羽、c 0 ：激光加热使释放光纤中的 残余应力汹1 、透镜阵列法b 们等。 在利用光敏性形成的光纤光栅中，根据光敏类型、成栅机制不同大致可分为三 种类型啦朝b 1 1 ：i 型、i i a 型和i i 型光纤光栅。 i 型光纤光栅是一种最为常见的光栅类型，可以成栅在任何类型的光敏光纤上， 在成栅过程中，折射率调制深度与平均折射率均呈单调增长，它是一种正折射率调 制光栅( an 0 ) 。i 型光栅的成栅机制与局部电子态缺陷( 1 0 c a le l e c t r o n i c 4 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第一章绪论 d e f e c t s ) 有关口羽。光栅的反射谱和透射谱互补，其包层的吸收或反射可忽略。此类 光栅的温度稳定性较差，在比较低的温度( 2 0 0 左右) 下光栅会变弱或消失。 ii a 型光纤光栅主要成栅于高掺锗光敏光纤( 2 5 m 0 1 ，高数值孔径光纤) ，是一 种负折射率调制光栅( n 9 0 0m j c m 2 ，) 在高掺锗的光纤中曝光 形成的1 ，折射率变化较大，大约1 0 q 数量级，它的形成是高能紫外脉冲熔化石英 基质造成纤芯物理性损伤的结果口引。i i 型光栅的反射谱与i 型和i i a 型光栅相近， 只是其反射峰较宽罢了，但它的透射谱却与i 型和i i a 型光栅有着明显的区别，它 只能使波长大于其布拉格波长的光波透射，而波长小于其布拉洛波长的光却被其耦 合入包层损耗掉了。i i 型光栅具有极高的温度稳定性，在8 0 0 。c 环境中放置2 4 小 时后其反射率无明显变化，在1 0 0 0 。c 环境中放置4 小时后大部分光栅才一消失，这 个特点使i i 型光栅可以工作在极其苛刻的温度环境中。 1 2 光纤光栅传感器的特点与发展 新一代光纤技术一一光纤光栅将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一 场新的技术革命。光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在 光纤上形成的光纤波导器件，光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传 感器。光纤光栅是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，它具有体 积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。利用光纤光 栅制成多种传感器如温度、应变、应力、加速度、压强等传感器n 3 。光纤光栅传 感器具有许多独特的优点： 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第一章绪论 ( 1 ) 抗干扰能力强：由于普通传输光纤不会影响光波的频率特性，而光纤光栅传 感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰：光纤光栅是石英材料，不受潮湿 环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好。所以，基于光纤光栅的传感系统具 有很高的可靠性和稳定性。 ( 2 ) 耐久性好：具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力。 ( 3 ) 质量轻，体积小：传感探头结构简单，外径尺寸与光纤本身等同，易于布置， 适合各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部， 对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。 ( 4 ) 既可以实现点测量，也可以通过串接的方式，便于构成各种形式的光纤传感 网络，尤其是采用波分复用技术构成的分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的 多点测量。 ( 5 ) 与光纤兼容，传输损耗低，容易实现对被测信号的远距离检测：为波长检测器 件，感应光信号与传输线路损耗无关，灵敏度高，测量的结果具有良好的重复性。 光纤光栅传感器是自参考的，( 在对光纤光栅进行定标后) 可以绝对测量，不需 要考虑初始情况。光纤光栅的上述特点，为它的广泛应用提供了可能。 按照光纤光栅周期长短，通常把周期小于l 微米的称为短周期光纤光栅，又称 为布拉格光栅：而把周期为几十到几百微米的称为长周期光栅。由于短周期光纤光 栅是传播方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，所以又称为反射 光栅：而长周期光纤光栅是同向传输的纤芯基模与包层模之间的耦合，无后向反射， 属于透射型带阻滤波器，所以又称为透射光栅。 根据光栅轴向折射率分布，光纤光栅被分为光栅的周期和折射率调制的大小均 为常数的均匀光纤光栅、光栅的周期沿轴向逐渐变化的啁啾光纤光栅、光致折变大 小沿光纤轴向为高斯函数的高斯变迹光纤光栅、光致折变大小沿光纤轴向为升余弦 函数的升余弦变迹光纤光栅、光栅在某些位置发生相位跳变的相移光纤光栅、光栅 由许多小段光栅构成的超结构光纤光栅以及光栅条纹与光纤轴不垂直的倾斜光纤 光栅( 也称为闪耀光纤光栅) 。 6 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第一章绪论 1 3 光纤光栅在传感中的应用 根据特定的光栅结构，光纤光栅可以做成滤波器、反射器、色散补偿器等，利 用光纤光栅可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件。由于光纤光栅器件 易于与光纤连接，对偏振不敏感，在光纤传感眨卜2 印领域有着广泛的应用。 应力、应变、温度、浓度等外界环境的变化，将引起光纤有效折射率和光栅周 期等参数的变化，从而导致光纤光栅谐振波长发生变化，因此光纤光栅是性能良好 的敏感元件。测量光纤光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参数的变化。光纤光 栅传感器由于能适合于恶劣或特殊的环境中，所以应用十分广泛，主要应用范围如 电力工业、民用工程、航空航天工业、船舶航运业、石油化学工业、医学、核工业 中的应用、水听器、机器人手臂传感、识别安全系统等。 ( 1 ) 电力工业中的设备大多处在强电磁场中，一般电器类传感器无法使用。 高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的 实时检测都要求绝缘性能好，体积小。在强电磁环境中，关键基础用电设备的安全 运行是企业生产的必要保障。电气设备产生故障的大部分原因是设备过热引起的， 主要是裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触点氧 化引起接触电阻增大，恶性循环造成隐患。电缆故障引起的火灾导致大面积电缆烧 损，造成被迫停机，短时间内无法恢复生产，造成重大经济损失。通过事故的分析， 引起电缆沟内火灾发生的直接原因是电缆中间头制作质量不良、压接头不紧、接触 电阻过大，长期运行所造成的电缆头过热烧穿绝缘，最后导致电缆沟内火灾的发生。 光纤光栅具有的抗电磁干扰和它的安全性能恰恰能满足在这种环境条件下使用。 ( 2 ) 在公路交通中，高速公路光纤光栅称重仪是一种新型的测量系统。与传统 的称重仪相比具有抗电磁干扰、灵敏度高、结构紧凑、可以在高温、高湿、强腐蚀 性或危险性的环境下使用等优点。它为现代交通智能化、网络化和远距离传输提供 有利条件。它的特点是对运行汽车不必停止、可以远距离监测、具有数字显示和超 重警报、可在高温、高湿、强电磁场、强腐蚀、强辐射等环境下工作，随着船载控 制系统复杂性的不断增加，船体要求愈来愈多精巧的传感器。光纤光栅传感器能够 为现代的船舶提供瞬时和丰富的传感信息，及时提供船长所需要的早期危险报警， 7 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第一章绪论 保证船舶的安全。美国的g c r m t c 与美国海军研究办公室签署了一个合作项目，在 它的报告中的四分之一是有关光纤光栅传感器美国海军对光纤光栅传感器非常重 视。光纤光栅大量地应用于航海中是海军增强战术的重要方法。 ( 3 ) 在医学上，光纤光栅传感器是现今最小的传感器。传感器的小尺寸在医 学应用中非常有意义，光纤光栅传感器能够通过最小限度的伤害方式，对人体组织 功能进行内部测量，提供各方面的信息。 ( 4 ) 核工业是高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁。光纤光栅的 抗辐射性能，把它制成静态分布传感系统来检测核工业中的装置将大大增强运行的 可靠性和安全性。 ( 5 ) 航天工业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温 度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向盘的位置等所使用数百个传感器， 因此传感器的重量和体积显得十分重要。光纤光栅传感器的重量轻，体积小是其它 传感器无法比的。因此，发达国家的航天航空工业对光纤光栅传感器非常重视，波 音公司就注册了许多光纤光栅传感器的技术专利。 ( 6 ) 利用光纤光栅的各种不同折射率调制及光谱特性，光纤光栅在光纤通信 中可以实现许多特殊的功能，以光纤光栅为基础的新型光电子器件，在光纤激光器、 光纤放大器、光纤色散补偿、解复用器和光的上下路器等方面有着广泛的应用。 ( 7 ) 外腔光纤激光器是利用均匀光纤光栅来选择出射光的一种很有前途的光 源，采用的结构有分布布拉格反射光纤光栅激光器和分布反馈光纤光栅激光器，前 者的谐振腔是由一对均匀光纤光栅和一段掺饵光纤构成的，后者的谐振腔是将均匀 光纤光栅直接写入在稀土掺杂光纤上构成的。由于均匀光纤光栅反射中心波长与其 折射率变化周期和有效折射率的乘积成正比，具有很窄的带宽。利用这种光纤光栅 的不断来回反射来选频，使激光器的出射波长线宽很窄。外腔光纤激光器由于具有 出射波长的线宽很窄、可调谐、波导式光纤结构、与标准通信光纤的兼容性好、抗 电磁干扰、温度膨胀系数比半导体激光器小、成本低等优点。因此，光纤光栅在外 腔光纤激光器方面具有很好的应用前景。 ( 8 ) 光脉冲在光纤中传输一段距离后，由于不同频率成分的传播速度不同而 使光脉冲展宽，即产生色散，光脉冲的色散展宽会使编码的光脉冲在接收时产生误 8 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第一章绪论 码。目前采取解决色散的方法主要是利用色散位移光纤和光纤光栅。用色散位移光 纤时用量大且昂贵，导致成本高，同时色散位移光纤用于波分复用系统时，容易产 生非线性效应，使信号间产生串扰。采用啁啾光纤光栅进行色散补偿，是一种比较 实用的方法。啁啾光纤光栅折射率的变化周期是不均匀的，是光纤芯轴位置的函数， 则反射波长是光纤光栅各点位置的函数，即沿光纤光栅的每一点都有一个本地布拉 格谐振波长，所以不同波长的光在啁啾光纤光栅的不同位置上反射并具有不同的时 延。如果光纤中传播光波的长波长分量( 红移分量) 在光栅的近端被反射，则短波长 分量( 蓝移分量) 就会在光栅的远端被反射，即光波经过光栅后，蓝移分量的时延比 红移分量的时延长，这样就补偿了色散所导致的短波长分量在前、长波长分量在后 的情况。因此，利用啁啾光纤光栅就可以起到色散均衡的作用，从而实现色散补偿。 啁啾光纤光栅的色散补偿量大，成本低，其潜在的应用价值使这一技术的研究成为 国内外普遍关注的热点。 ( 9 ) 波分复用解复用器是实现全光网通信的关键器件。光波波分复用是将两 种以上不同波长的光波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到一根光纤中进 行传输，在接收端经解复用器将各种波长的光载波分离。利用均匀光纤光栅良好的 滤波性能和较窄的带宽，可制成波分复用解复用器。波分复用器的复用信道的波 长间隔一般在几十带几百纳米。9 0 年代后发展起来的密集波分复用器，其波长间隔 一为纳米量级。光纤光栅密集波分复用器具有优异的滤波形状、插入损耗低、隔离 度高等优点。 ( 1 0 ) 与布拉格光纤光栅相比，透射型长周期光纤光栅的谐振波长和幅值对外 界环境的变化更敏感，具有比布拉格光纤光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、浓 度和折射率灵敏度，是一种更好的光纤光栅传感器，特别是在大坝、桥梁、矿井等 应力安全监测方面，更具有优势。另外，长周期光纤光栅不仅可以用于e d f a 增益 平坦、带阻滤波器、带通滤波器，而且在光上下路复用、光纤光源、偏振器件等通 信领域都有一定的应用。 ( 1 1 ) 长周期光纤光栅的温度灵敏度是光纤布拉格光栅的7 倍，与布拉格光纤 光栅组合，可以消除温度压力测量中的交叉敏感问题，使测量精度大大提高。光纤 中写入长周期光栅后，不同偏振状态的模式就有不同的有效折射率，满足相位匹配 9 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第一章绪论 条件的谐振波长就不同，使光栅谱特性表现出波峰分离，一定波长的光某个偏振状 态能量就高度损耗，从而实现了光纤型偏振器件。在长周期光纤光栅的外层涂一层 磁性物质，或将长周期光纤光栅固化于磁致伸缩材料中，外磁场使磁性物质发生磁 致伸缩，引起长周期光线光栅轴向应变，弹光效应使光纤内折射率变化，由谐振波 长的变化，就可得到外加磁场的大小，从而用于磁场传感器。 1 4 本文的主要研究内容 本文以l p f c , 为研究对象，针对其基本的传感特性及应用等问题进行了理论分 析和数值模拟，主要内容包括： 1 ) 阐述了光纤光栅、l p f g 传感器的发展和研究现状。 2 ) 根据耦合模理论，分析了l p f g 耦合模方程中导模与包层模的耦合关系：分 析研究了l p f g 各参数对光栅谱形和特性的影响。 3 ) 推导了描述l p f g 轴向应变和温度灵敏度的一般性公式。利用数值方法研究 了光栅周期、耦合模式的阶次、弹光系数及热光系数对测量灵敏度的影响。 4 ) 建立了用于长周期光纤光栅制作的实验系统，并对系统参数对光栅输出特 性的影响进行了实验优化；通过分析和实验，研究了金属薄膜长周期光纤光栅传感 器的传感特性，比较它们对外界折射率变化的灵敏度特性。实验制作了不同规格的 长周期光纤光栅金属表面等离子体波折射率传感器。并对水、酒精、甘油及它们的 混合液进行了折射率传感特性测定。 1 0 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第二章长周期光纤光栅的理论分析 第二章长周期光纤光栅的理论分析 研究l p f g 的理论有很多，譬如耦合模理论、传输矩阵法、b l o c h 波理论、散射 理论等，这些理论通常都各自提供了一个独特的视角去观察光栅一电场交互作用 的物理机理，且各有优缺点。 耦合模理论是对光纤光栅光谱进行定量分析和研究的最基本、也是最有效的方 法之一。它最初是由a y a r i v 于1 9 7 3 年引入波导光学，后来被用于分析光纤b r a g g 光栅，经过逐步的发展和完善，目前已经形成了一套较为完善和成熟的理论体系。 利用耦合模理论可以分析光在各种不同类型的光纤光栅中的传播行为，尤其是对于 折射率调制均匀的光栅，能精确地推导出其光谱特性的解析表达式、模式有效折射 率和耦合系数，从而对光栅特性进行较为详尽的描述。 当耦合模方法用于解决复杂光栅结构时，因需要采用耦合差分方程的数值解， 所以变得极为困难和复杂。此时可求助于转移矩阵法一该方法是将光纤光栅看作 是由一系列小的均匀周期的光纤光栅串联而成，这样，只要将每一小的均匀周期光 纤光栅的传输矩阵相乘，即可得到总的光栅传输矩阵。由于每个小光栅的参数都能 够较为灵活地控制，因此可以方便地研究不同结构的光纤光栅，包括周期和非周期 结构的光栅，当然也适用于l p f g 。 2 1 耦合模理论 根据光的模场理论，光脉冲是以不同的模式在光纤中传输的。在理想的光波导 中传输的本征模各自独立、互不干扰。若波导介质的均匀性被破坏，使得传导模发 生振幅或相位的扰动，则这些本征模之间就会发生能量的交换，即所谓的模式耦合。 对于弱微扰，则可近似认为除了进行能量交换之外，本征模的场分布不发生改变， 同时可将耦合光波看成是这些本征模的线性叠加。这种情况下，再经“慢变近似 处理和必要的数学推演，可将光波导的二阶微分方程简化为关于模场振幅变化的一 阶微分方程，即耦合模方程。最后，考虑到耦合模与微扰源之间的相互作用应满足 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第二章长周期光纤光栅的理论分析 “谐振 要求，在耦合方程中提取出谐振的“两个耦合模式 的一阶微分方程组， 再根据边界条件得到解析解。以下将根据上述思路，由麦克斯韦方程出发，推导出 耦合模方程1 。 在大多数情况下，可以认为模式之间的耦合是因为波导中极化强度矢量p ( r ， t ) 的微扰( 由于折射率的微小不均匀性引起) 。将光纤光栅视为受到某种微扰的理想 波导，其极化强度可表示为 p ( r ，f ) = p o ( r ，t ) + a p ( r ，f ) ( 2 一1 ) 式中，p o ( r ，t ) 是未受微扰的波导中自由场e 感生的极化强度，a p ( r ，t ) 是微扰项。 把上式代入麦克斯韦方程 v x e ：一“丝( 2 2 ) a t v x h ：j + 望 ( 2 3 ) 研 对于各向同性的介质光波导( 无自由电荷、无铁磁体) ，有d = 6 0 e + p 及j = 0 ，由 式( 2 - 2 ) 取旋度并与式( 2 - 3 ) 联立，得 v ( v d _ v 2 e = - 鹏警+ 争 4 ) 假定波导的电容率6 0 8 r 变化极小，即设a 6 s 1 ，则由v ( 6 0 c r e ) = 0 可得v - e 0 ， 因此式( 2 - 4 ) 可写为 v 2 e = “o ( 6 0 警+ 5 ， 式( 2 - 5 ) 即为无电荷、无铁磁体存在情况下，介质中传输的光波电场满足的波动方 程。 考虑到 p o = z 6 0 e ( 2 6 ) 式中，z 为电极化率。所以式( 2 5 ) 可简化为 1 2 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第二章长周期光纤光栅的理论分析 v 2 e = 鳓岛警 ( 2 - 7 ) 其中，= 1 + z 称为相对介电常数。 在无微扰的均匀介质中，光波横向电场的本征模满足方程( 2 - 7 ) ，所以 俨= 硒岛争 ( 2 - 8 ) 式中，下脚标t 表示横向电场，m 表示本征模序号。 若光波在介电常数( 或折射率) 弱微扰的波导中传输，将其电极化强度代入式 ( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 5 ) ，得 v 2 巨= 鳓岛争+ 等 9 ， 在弱微扰的介质中，可认为光波场的本征模保持不变，而光波导中传输的光波 的横向电场都可以看成是这些本征模的线性叠加，因此 巨= 吉( 4 ，( z ) 吒e x p f ( 耐一尾z ) + c 0 + r 4 ( z ) e ；e x p f ( 刎一辟z ) d p ( 2 - 1 0 ) 式中，表示第掰阶导模或包层模，为辐射模，4 ，l ( z ) 和嘭( z ) 为相应的振 幅，c c 表示右边第一求和式的复共扼。将式( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 - 9 ) ，得： v 2 巴莓( 4 ，l ( z ) e x p z ( 研一尾z ) + c c ) + r 4 ( z ) e x p ，( 缈r 一辟z ) d p 一脶岛导巴； 以( ze t m e x p r ( 研一尾z ) + c c ) + r 4 ( z ) e x p t ( 功卜以z ) d p a 2 肚 2 才 ( 2 - 1 1 ) 将v 2 = v ；+ 等 代入式( 2 1 1 ) ，忽略导模向辐射模的耦合，并考虑到本征模满 足均匀介质的波动方程( 2 - 8 ) ，则可以得到 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第二章长周期光纤光栅的理论分析 导辟 小) 吒e x p 岫仰) + 卯 ) - 硒堂o t 2 ( 2 - 1 2 ) 在光波长级的空间范围内，振幅4 ，l ( z ) 变化较慢，即有i 争i 尾警，所以式 出尾警酬x p e 咖刖州= 硒丝o t 2 ( 2 - 1 3 ) d 似a ：e x p e 和m z ) 一警刚x p e 刎啦忡= 一去等! p 姗 三d a - 茬竺：夏d a + 小莓1 - 仉e x p e i ( c o 嘲胡慨 = 一叫；巧ke x p f ( 研+ 岛z ) + 巧k e r 一尾z ) + c ci 1 4 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究第二章长周期光纤光栅的理论分析 警一z 。a k ( x 岛- + ) e x p f ( 尾一历) z + f kb ( 一) e x p 一f ( 反+ 岛) z 警= 一；4 ( 一赡) e x p ，( 厥+ 历) z 一军b ( 如+ ) e x p 一f ( 反一辟) z ( 2 - 1 7 ) 式中，4 和弓，分别表示正向和反向传输的j 阶模的振幅：岛和屈分别表示j 阶 和k 阶模的传输常数：、赡分别是j 和k 两个模式间的横向和纵向耦合系数， 其中k 毛的表达式为 2 詈! ! 占( 五乃z 磁巧级咖( 2 - 1 8 ) 至于醮，由于纵向场的能量远小于模向场，故一般可将其忽略。 圈2 1 光纤横截面 未扰动光纤的纤芯、包层和外包层折射率分别为n l 、1 1 2 和1 1 3 ( 图2 1 ) ，假设 在制作长周期光纤光栅的过程中，只有纤芯折射率被调制，而光纤包层的折射率保 持不变，并假设调制后的纤芯折射率具有如下形式： 碍c z ，= 强 + 矿c z ， 1 + v c o s ( _ z + 矽c z ， ，口 c 2 一1 9 ， 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第二章长周期光纤光栅的理论分析 n - 是未调制前的纤芯折射率，a 是长周期光纤光栅周期，仃( z ) 是光纤光栅折 射率的缓变包络线，v 是与折射率调制有关的条纹可见度( o v 1 ) ，痧( z ) 是与光 栅啁啾相关的附加相位，对于均匀光纤光栅则矽( z ) = 0 。对于每一个光栅周期内 折射率变化的平均幅度，可以用血( z ) = 盯( z ) m 来表示。 占为制作光栅时对介电常数s 的微扰，当纤芯折射率的改变幅度知( z ) 万 时，占可近似写成： a e ( x ，y ，z ) = a e ( z ) 2 e o n a n ( z ) ( 2 2 0 ) 在弱导光纤中，光纤模式的横向电场远远大于其纵向电场，即纵向耦合系数 远远小于横向耦合系数码，因而可以忽略确。另外，本论文的推导和模拟过 程都是基于均匀光栅，所以此处矽( z ) = 0 。根据式( 2 1 9 ) ，则纤芯折射率沿z 轴 的改变量a n ( z ) 可以表示为： 嘶) = 砰) 卜。s ( 剀 2 1 ， 将式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 代入式( 2 1 8 ) ，得到横向耦合系数表达式： = 卜。s ( 剀半掣缈- i - 。4 , a o 巧蜘 吲：) 1 + v o o s ( _ 罢z ) = 啪) + 2 如c o s ( 罢z ) ( 2 - 2 2 ) 式中，( z ) 、( z ) 分别为模式k 、j 之间的直流和交流耦合系数，分别定义为 哄) = 半掣! 巧撕 岛( z ) = 詈( z ) 1 6 ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 金属薄膜长周期光纤光栅折射率传感特性研究 第二章长周期光纤光栅的理论分析 l p f g 的周期较长，所以它是纤芯导模与同向传输的包层模之间的耦合。对于非 倾斜的均匀l p f g ，分析时只考