（光学专业论文）倾斜光纤光栅写制技术及传感应用研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 f i i i i r r li ii lif f l l l 1 l l l l l liif y 1813 9 8 5 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 登坐 2 0 1 0 年5 月2 9 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 倾斜光纤光栅写制技术及传感应用研究 姓名 孙华学号 2 1 2 0 0 7 0 1 7 4 答辩日期2 0 1 0 年0 5 月2 7 日 论文类别 博士口学历硕士硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业光学 联系电话 13 7 5 2 2 5 8 6 0 8e m a i l s u n h u a 3 7 7 2 0 y a h o o c o m c n 通信地址( 邮编) ：天津南开大学伯苓楼现代光学研究所4 0 6 ( 邮编：3 0 0 0 7 1 ) 备注： 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库：( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文：( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 孑i 华 2 0i o 年f 月岁f 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 咖a 斛先纤光栅吗纠技术屐俘感压明研觉 姓名 孑f 、华 学号 2 i z , 0 0 7 0 1 7 4 答辩日期 知f o 年f 月2 7 日 论文类别博士口学历硕士函硕士专业学位口 高校教师口同等学力硕士口 院系所 i 息教希科学髻院 专业 先学 联系电话 f 弓7 f 2 岁耐 e m a i l ，期| i l l i ；7 瑚园讲洲翻 通信地址( 邮编) ：南前天学1 日苍糙孢代先学研究，斤干口易 ( 聊编；口o d 7 f ) 备注： 无 是否批准为非公开论文 丕 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 声明 师指导下进行研究工作所 学位论文的研究成果不包 作品的内容。对本论文所 文中以明确方式标明。本 学位论文作者签名：登堡2 0 0 8 年5 月2 9 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制- k2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 光通信、光 进步，各种 f i b e rb r a g g 在光纤放大 领域有着广 究，主要研 分析，并给 用研究提供 了理论基础；基于光纤光栅的写制理论，对t f b g 的成栅机理进行了研究，并 给出了t f b g 栅面倾斜角与紫外干涉条纹倾斜角度的关系式，为t f b g 的写制 技术研究提供了依据。 其次，基于传统光栅写制技术，构建了t f b g 写制系统平台；在单模光纤 上写制出多种倾斜角度的t f b g ，并对其透射谱随光栅倾斜角度变化的情况进行 了分析；进一步在单模光纤上写制出多角度重叠t f b g ，使其包层模谐振峰的光 谱区域得到很大的展宽；在多模光纤上写制出t f b g ，发现多模光纤t f b g 具有 更为复杂的模式耦合特性。 再次，基于成熟的t f b g 写制平台，成功地在全固带隙光纤上写制出t f b g ， 并对全固带隙光纤t f b g 的模式耦合特性进行了分析；对全固带隙光纤t f b g 的弯曲、温度及折射率传感特性进行了实验研究。 最后，基于三层介质光纤波导模型对t f b g 折射率敏感性机理进行了分析； 对处于不同折射率匹配液中t f b g 透射谱的变化情况进行了实验研究；基于 t f b g 折射率敏感特性，研制了一种空气相对湿度传感器；采用纤芯错位的方式 对t f b g 的反射谱特性进行了检测，并对t f b g 包层模反射谱的弯曲和微位移 传感特性进行了研究。 关键词：光纤光学倾斜光纤光栅模式耦合多角度重叠空气相对湿度传感 a b s t r a c t a b s t r a c t a si m p o r t a n tp a s s i v ef i b e rc o m p o n e n t s ，f i b e rg r a t i n g sh a v ev a r i o u sa p p l i c a t i o n s i n o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n , o p t i c a lf i b e r s e n s i n g ，a n do p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，e t c i nr e c e n ty e a r s ，晰t ht h ep r o g r e s so ff a b r i c a t i o nt e c h n i q u e ，ag o o d v a r i e t yo fn o v e lf i b e rg r a t i n g sw i t hn e ws t r u c t u r e sa n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c eh a v e b e e nd e v e l o p e d ad i s t i n g u i s h e dm e m b e ra m o n g s tw h i c hi st h et i l t e df i b e rb r a g g g r a t i n g ( t i l t e df i b e rb r a g gg r a t i n g ：t f b g ) t f b gh a sm a n yu n i q u ep r o p e r t i e sa n d c o u l db ew i d e l ya p p l i e di nf i b e ra m p l i f i e rg a i nf l a t t e n i n g ，o p t i c a lf i l t e r i n g ，l i g h t p o l a r i z a t i o n , o p t i c a lf i b e rs e n s i n g ，a n do p t i c a ls i g n a ld e m o d u l a t i o n ，e t c t 1 1 i sa r t i c l e f o c u s e so nt h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u ea n ds e n s i n ga p p l i c a t i o n so ft f b g ；a n di t sm a i n c o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t ，b a s e do nt h ec l a s s i c a lc o u p l e dm o d et h e o r y , t h em o d ec o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h et f b gw e r ea n a l y z e dt oa s c e r t a i nt h em a t c h i n gc o n d i t i o n s b a s e do nt h et h e o r yo ff i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o n ，t h em e c h a n i s mo ft f b gf a b r i c a t i o n w a ss t u d i e d ，a n dt h et i l t e da n g l eo fg r a t i n gp l a n ea st h ef u c t i o no ft h ea n g l eo ft h e f i b e rr e s p e c tt ot h eu vi n t e r f e r e n c ef r i n g e sw a so b t a i n e d 1 1 1 et h e o r e t i c a ls t u d y p r o v i d e sab a s i sf o rt h es u c c e s s i v er e s e a r c h s e c o n d ，b a s e do nt h e f a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo ft r a d i t i o n a l f i b e rg r a t i n g s ，a f a b r i c a t i o ns y s t e mp l a t f o r mo ft f b gw a ss e tu p s i n g l e - m o d et f b g sw i t hd i f f e r e n t t i l t e d a n g l e s w e r e s u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e da n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e i r t r a n s m i s s i o ns p e c t r aa n dt h et i l t e da n g l e sw a sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，am u l t i a n g l e o v e r l a p p i n gt f b gw a sf a b r i c a t e d ，w h i c he x t e n d st h ec l a d d i n gm o d es p e c t r a lr e g i o n t oal a r g ed e g r e e am u l t i m o d et f b gw a sf a b r i c a t e da sw e l l ，w h e r em o r ec o m p l e x m o d ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ef o u n do u t a g a i n ，b a s e do nt h et f b gf a b r i c a t i o np l a t f o r m ，at f b gb a s e do na l l - s o l i d p h o t o n i cb a n d g a pc r y s t a lf i b e rw a sf a b r i c a t e d ，a n di t sm o d ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s w e r ea n a l y z e d a n dt h es e n s i n gp r o p e r t i e si nb e n d i n g ，t e m p e r a t u r ea n dr e f r a c t i v e i n d e xo ft h ea 1 1 s o l i db a n d g a pf i b e rt f b gw e r es t u d i e d o v e r l a p p i n g ，a i rr e l a t i v eh u m i d i t ys e n s i n g i i i 录 录 a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 第一节t f b g 概述1 1 1 1 光纤光栅概述l 1 1 2t f b g 简介4 1 1 3t f b g 应用研究进展5 1 1 4t f b g 理论研究现状7 第二节t f b g 写制技术概述。8 1 2 1 光纤光栅写制技术概况8 1 2 2t f b g 写制技术研究现状1 2 第三节论文研究内容及创新点1 3 第二章t f b g 理论研究1 6 第一节t f b g 的耦合模理论分析1 6 第二节t f b g 写制技术原理2 7 2 2 1 光纤的光敏性原理2 7 2 2 2 光纤载氢增敏机理2 9 2 2 3t f b g 成栅机理2 9 第三节本章小结3 l 第三章t f b g 写制技术研究3 2 i v 3 2 3 2 3 4 究3 9 z 1 2 4 2 4 3 4 5 究4 6 第一节光子晶体光纤概述4 6 4 1 1 光子晶体光纤的分类4 6 4 1 2 光子晶体光纤数值分析方法4 8 第二节全固带隙光纤分析4 9 4 2 1 全固带隙光纤的模式特性4 9 4 2 2 实验用全固带隙光纤特性分析5 1 第三节全固带隙光纤中t f b g 研究5 4 4 3 1 全固带隙光纤t f b g 的写制及其透射谱分析5 4 4 3 2 全固带隙光纤t f b g 传感特性研究5 9 第四节本章小结6 l 第五章t f b g 传感应用研究6 2 第一节t f b g 折射率传感应用研究6 2 5 1 1t f b ( ；折射率敏感特性理论研究6 2 5 1 2t f b g 折射率传感特性实验6 6 5 1 3t f b ( ；空气相对湿度传感器设计7 0 第二节t f b g 反射谱特性研究7 4 第三节本章小结7 8 第六章总结与展望7 9 v v i 第一章绪论 第一章绪论 随着光纤通信和光纤传感技术的飞速发展，各类光纤器件也得到了深入研 究和广泛应用。作为最重要的光纤无源器件之一，光纤光栅具有许多独特的优 点，被广泛地应用于光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域。随着光栅制作 技术的逐步提高，各种新型光纤光栅不断涌现。 t f b g 是一种新型结构的光纤光栅，其栅格结构与光纤的横截面有着一定的 夹角。这种特殊的光纤光栅具有许多独特的传输性质，在光纤放大器增益平坦、 光纤滤波、光纤偏振器件、光纤传感、光信号解调等领域有着广阔的应用前景。 1 1 1 光纤光栅概述 第一节t f b g 概述 一、光纤光栅发展概况 二十世纪7 0 年代出现了一种新型光子器件光纤光栅，它利用光纤材料 的光敏性，采用紫外曝光的方法在光纤内引入周期性的折射率分布，改变了光 在这一区域的传播行为。光纤光栅是一种无源器件，它直接由光纤写制而成， 具有光纤的抗干扰、耐腐蚀、耐高温、尺寸小等优点，并且通过不同的栅格结 构设计可获得功能各异的光栅器件。光纤光栅的出现极大地拓宽了光纤的应用 范围，使其由单一的传输媒介转变为具有各种特殊性能的光子器件，因此光纤 光栅出现后很快成为研究热点。目前，光纤光栅已在光纤通信、光纤传感等领 域得到了广泛的应用。 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等人【l 】首次在掺锗石英光纤中发现光敏效应， 并利用4 8 8 n m 氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，制成世界上第一根光纤 光栅，这项研究开创了光纤光栅研究的先河。这种写制光栅的方法称为驻波法， 该方法对光纤的光敏性和光栅写制设备的要求很高，使光纤光栅的研究和应用 受到很大限制。 1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人1 2 】利用掺锗光纤的紫外光敏特性，采用2 4 4 n m 1 第一章绪论 波长的紫外激光产生的干涉条纹从侧面照射光敏光纤得到光纤光栅。这种的技 术可以写制任意波长的布喇格光纤光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破。 此后，光纤光栅的研究进入高速发展时期。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人【3 】又提出了相位掩模写制技术。这种技术利用紫外激 光经过相位模板衍射后的士1 级衍射光形成的干涉条纹写制光栅。该技术写制过 程简单，对写制光源的相干性要求也比较低。目前，相位掩模法已成为写制光 栅最常用的方法。 光栅写制主要利用了掺锗光纤的光敏性，普通通讯光纤的纤芯中掺有少量 的锗，但由于掺杂浓度较低，光纤的光敏性不足。早期，写制光纤光栅主要采 用掺锗浓度较高的光敏光纤，但掺锗光纤价格比较昂贵。1 9 9 3 年，只j l e m a i r e 等人【4 】提出了光纤载氢增敏技术，这种技术可以将光纤的紫外光敏性提高两个数 量级。该技术的出现使采用普通光纤写制光纤光栅成为可能，极大地降低了光 纤光栅的成本。 光纤光栅写制技术的突破，掀起了光纤光栅研究和应用的热潮。成熟的写 制技术极大地降低了光纤光栅的制作成本，也使光纤光栅器件逐步走向实用化。 二、光纤光栅的种类【5 】 早期对光纤光栅的研究主要集中于光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅。随 着光纤光栅写制技术的进步和光纤光栅理论研究的不断深入，人们先后研制出 一些新型光纤光栅，如倾斜光纤光栅、啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、超结构 光纤光栅等。 一般根据光纤光栅的空间折射率调制分布是否均匀，可以将其分为均匀光 纤光栅和非均匀光纤光栅两大类型： ( 一) 均匀光纤光栅是指栅格周期为定值，并且折射率调制深度也为均匀分布的光 纤光栅。这类光纤光栅有光纤布喇格光栅、长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅等。 1 、光纤布喇格光栅 6 ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ：f b g ) f b g 是一种短周期光纤光栅，其栅格周期为1 0 2n m 数量级。f b g 的折射率 调制均匀，深度一般为1 0 。3 1 0 ，光栅的波矢方向沿光纤轴向，光栅的结构如 图1 1 所示。f b g 可将特定波长的光反射，起到类似反射镜的作用。f b g 的特 点是反射带宽比较窄( 0 1 n m 左右) ，且反射率比较高( 接近1 0 0 ) 。f b g 是最早 出现的一种光纤光栅，目前已被广泛应用于光纤滤波、光纤激光器、光纤传感i 2 沿光纤 为波长 定的夹 角。与f b g 相比，t f b g 不仅能将入射光耦合为后向传输的纤芯模式，而且还 可以将部分入射光耦合为后向传输的包层模式。t f b g 的传输性质比较独特，在 光纤放大器和宽带光源增益平坦、光纤滤波器、光纤偏振器件、光纤传感等领 域有着广阔的应用前景。 ( 二) 非均匀光纤光栅是指栅格周期不均匀，或者折射率调制深度不均匀的光纤光 栅。这类光纤光栅有啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、a p o d i z e d 光纤光栅等。 1 、啁啾光纤光栅【1 2 】( c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 啁啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向单调、连续变化，光栅的折射率调制 深度固定。这种啁啾光纤光栅的特点是反射带宽较宽，可达几十纳米。啁啾光 纤光栅目前主要用于色散补偿和光纤放大器增益平坦。 2 、相移光纤光栅【1 3 ( p h a s e s h i f t e df i b e rg r a t i n g ) 相移光纤光栅的栅格分布不连续，在某些位置存在间断点，可视为均匀光 栅折射率调制函数上加入万函数的结果，光栅的折射率调制深度均匀。相移光纤 光栅传输谱的特点是在周期性光栅的光谱阻带内存在若干透射窗口，从而使光 3 第一章绪论 栅对某些特定波长具有更高的选择度。相移光纤光栅包括布喇格型相移光栅和 长周期型相移光栅，可用于多通道滤波器件、光纤放大器增益平坦等领域。 3 、超结构光纤光栅【1 4 1 ( s u p e r s t r u c t u r ef i b e rg r a t i n g ) 超结构光栅的折射率调制可视为在f b g 的调制函数的基础上加入了方波函 数的结果，其传输谱具有一组离散反射峰，形成一种梳状结构的透射谱。超结 构光纤光栅可以应用于梳状滤波器、多波长光纤激光器、波分复用及光纤传感 等领域。 4 、a p o d i z e d 光纤光栅【”】 这种光栅的栅格周期固定，但折射率调制是在f b g 调制函数的基础上加入 了特定函数( 如高斯、正弦或余弦函数) 。加入不同的调制函数可以改变其反射谱 形状，常见的有高斯函数及余弦函数等。在写制f b g 时，一般对紫外激光的光 斑进行高斯型调制，以减少光栅透射谱的旁瓣。余弦型a p o d i z e d 光纤光栅可用 于光纤环形腔激光器产生多波长激光输出。 1 1 2t f b g 简介 t f b g 是一种短周期光纤光栅，栅格周期与f b g 相近。t f b g 光栅栅面和 光纤横截面有一定的夹角，如图1 2 所示。由于夹角的存在，t f b g 中除了存在 类似f b g 的前向传输的纤芯模与后向传输的纤芯模的耦合，还存在前向传输的 纤芯模与后向传输的包层模式的耦合，在某些情况下，在接近布喇格谐振峰的 短波区域还存在一种称为幻影模的模式，这种模式被认为是纤芯模与一些的低 阶包层模的耦合【l 们。小角度t f b g 的典型透射谱如图1 3 所示，t f b g 中前向纤 芯基模与后向纤芯模及后向包层模之间的耦合强度由光栅栅面倾斜角及折射率 的调制深度等因素决定。 t f b g 中的模式耦合还与外界环境的折射率有关。当t f b g 浸没于折射率与 光纤包层一致的折射率匹配液中时，可认为光纤的包层趋于无穷大，前向纤芯 模向后向包层模的耦合将转变为纤芯模向辐射模的耦合【l l 】。本文第二章将详细 讨论t f b g 的各类模式耦合。 4 图1 2 t f b g 结构示意图，4 为光栅的周期，孝为栅面倾斜角度 图1 3 倾斜角度为5 。的t f b g 的透射谱中的纤芯模( c o r em o d e ) 、幻影模( g h o s tm o d e ) 、包层 模( c l a d d i n gm o d e s ) 1 1 3t f b g 应用研究进展 t f b g 具有特殊的光栅结构和传输性质，在光纤通信和光纤传感领域具有广 阔的应用前景。目前，t f b g 已被成功地应用于光纤放大器增益平坦、光纤滤波、 光纤偏振器件、光纤传感、光信号解调等方向。 l 、光纤光栅放大器增益平坦 利用t f b g 的透射谱包层模谐振峰可以对光纤放大器增益的峰值位置进行 抑制，使光纤放大器实现平坦输出。1 9 9 3 年，k a s h y a p 等人在掺铒光纤中写入 5 第一章绪论 t f b g ，实现了c 波段3 0 n m 带宽的增益平坦i l 引。 2 、光纤滤波器及w d m 器件 t f b g 传输谱中存在着一系列间距很近的包层模的谐振峰，这些谐振峰处于 一个较宽的波长范围内，并且谐振峰的位置可通过改变光栅的栅格周期和倾斜 角度进行调节。人们基于t f b g 这一特性设计了光纤滤波器【1 7 】、w d m 信道检测 和w d m 多路复用等器件【1 8 ，1 9 】。 3 、偏振相关的器件 偏振相关损耗器件是t f b g 的一个重要的应用方向。2 0 0 0 年，p s w e s t b r o o k 等人利用t f b g 制成偏振器【2 0 】。2 0 0 1 年，s j m i h a i l o v 等人研究了t f b g 的偏 振相关损耗( p d l ) 特性【2 l 】。2 0 0 5 年z h o u 等人研究t f b g 的p d l 特性时发现p d l 的大小与光栅的长度有关【2 2 1 ，光栅的长度越长，p d l 值越大。 4 、光纤传感 t f b g 的传输透射谱存在纤芯模和一系列包层模谐振峰，这些谐振峰对外界 的温度、应力、弯曲等参量具有不同的敏感特性，研究人员基于t f b g 这一特 性实现了各类光纤传感器。c c h e n 等人对t f b g 各阶包层模的应变传感特性进 行了研究【2 3 】。2 0 0 2 年，s e u n g i nb e a k 等人对t f b g 不同方向的弯曲特性进行了 研究，并实现了一种弯曲传感器【2 4 j 。c c a u c h e t e u r 等人提出根据弯曲引起的包 层模包络( 归一化区域的面积) 的变化实现弯曲和温度的同时测量【2 5 1 。2 0 0 8 年， 郭团等人利用t f b g 实现了一种对温度不敏感的振动传感器【2 6 】。本课题组的苗 银萍等人对t f b g 纤芯模和包层模谐振峰对轴向应变 2 7 】、弯曲口8 】等参量的敏感 性进行了系统的研究，并利用t f b g 实现了多参量同时测量【2 9 】。 t f b g 包层模谐振峰的位置和深度对外界环境折射率的变化非常敏感，因此 可以利用t f b g 实现对液体折射率和浓度参量的测量。2 0 0 1 年，gl a f f o n t 等人 研究了大于包层折射率( 约1 4 5 ) 的外界环境对t f b g 传输谱的影响【3 0 l 。2 0 0 6 年， z h a o 等人对多模光纤t f b g 谐振波长随外界折射率的变化的漂移情况进行了研 究p 。2 0 0 8 年，c c a u c h e t e u r 和j a l b e r t 等人将t f b g 与时域反射率计结合， 实现了温度不敏感的准分布折射率的传感【3 2 】。苗银萍等人基于t f b g 实现了对 液体折射率的测量【3 3 3 引。 此外，通过在t f b g 包层表面沉积各种特殊的折射率敏感薄膜，可以实现 对特定物质的探测。2 0 0 7 年，y a n i n ay 等人通过在t f b g 表面镀金膜实现了对 d n a 和一些病毒的探测【3 5 j 。2 0 0 8 年，s m a g u i s a 等人在t f b g 沉积生物功能薄 6 第一章绪论 膜之后实现了对特定生物分子的高灵敏度探测【3 6 】。 3 光信号解调 2 0 0 3 年，英国a s t o n 大学的z h o u 等人从实验上证明：t f b g 浸没到环境折 射率接近于光纤包层的匹配液中时，t f b g 将不能发生纤芯模向包层模的耦合， 而是将纤芯模耦合到外界环境中形成辐射模【3 7 】。2 0 0 4 年，同一课题组的s i m p s o n 等人发现，t f b g 入射光波长不同时，其辐射光在空间中将具有不同出射的方向。 该课题组的研究人员使用柱透镜将t f b g 的辐射模进行汇聚，透射到到线阵c c d 上。结果显示，不同的入射波长处于线阵c c d 的不同位置，通过c c d 对辐射 模出射方向的检测即可得到光波长信剧3 8 】。与传统的将光信号从光纤耦合到光 纤外的色散器件的技术相比，这种技术耦合效率高、工艺简单，且无需将光纤 中传播的光信号耦合至外界的色散器件中，可实现光波长解调系统的全光纤化。 2 0 0 3 年，f e d e r 等人提出了利用三个不同波长的t f b g 与光探测装置构成的解调 系统1 3 9 1 ，但分辨率较低。2 0 0 4 年，j a u r e g u ic 等人利用了光栅辐射光的f a b r y p e r o t 谐振效应设计了一个t f b g 解调系统【4 0 1 。 1 1 4t f b g 理论研究现状 在针对t f b g 的各种新特性及应用研究逐步推进的同时，人们也深入地开 展了对t f b g 的理论研究。目前，t f b g 理论研究方法主要有耦合模理论和体电 流法。 人们运用光的模场理论分析波导中光的传输的模式。根据模场理论，光在 均匀的光纤结构中传输时，光纤的纤芯及包层中存在着许多相互正交的模式， 这些相互正交的模式在传输过程不发生能量交换。当光纤内引入光栅后，光纤 波导结构的均匀性被破坏，导致能量在不同模式之间转移，称为模式耦合。耦 合模理论是分析光耦合行为最基本和最常用的方法，这种方法可以解释波导中 各类模式之间的能量交换，并能从理论上推导光纤光栅传输谱。 1 9 9 6 年，e r d o g a n 与s i p e i l i j 运用耦合模理论初步分析了t f b g 的纤芯模、 包层模和辐射模之间的模式耦合，并通过理论推导得出t f b g 透射谱的谐振波 长、带宽、耦合系数、传播常数等参数的表达式，理论研究与实验结果吻合得 很好。此后，以t e r d o g a n 为首的研究小组对耦合模理论分析t f b g 的方法不断 地进行完善【4 。 7 一、光纤增敏技术 光纤光栅的写制主要利用掺锗光纤的紫外光敏性。普通通讯光纤的纤芯中 掺有少量的锗，但由于掺锗的浓度比较低( 约为3 m 0 1 ) ，其紫外光敏性不足。直 接采用通讯光纤写制光栅的效率比较低，且折射率调制的最大深度( 即折射率调 制饱和值) 也比较小，因此在写制光纤光栅时，需要对光纤进行增敏。目前，光 纤增敏的方法主要有光纤掺杂和载氢增敏两种。 1 、光纤掺杂增敏 在光纤内掺入更多的光敏性杂质可以显著地提高光纤的光敏性，主要的掺 杂物质有锗、锡、硼等元素，或者同时掺入多种杂质，如b 、g e 共掺。对光纤 进行掺杂可以有效地提高光栅写制的效率，但掺杂光纤的成本比较高，且光敏 性提高的程度也有限，特别是掺杂的方法不能提高折射率调制深度的饱和值。 2 、光纤载氢增敏技术 载氢增敏技术是由p j l e m a i r e 等人在1 9 9 3 年提出的【4 1 ，具体实现过程是将 光纤放入2 0 7 6 m p a ，2 0 - 7 5 的氢气环境中，使氢分子通过分子运动扩散进 入光纤，从而提高光纤的光敏性。载氢增敏可以大幅提高光纤光栅的写制效率， 同时还可以提高折射率调制的饱和值。通过载氢处理，单模光纤纤芯折射率调 制的饱和值可从1 0 。5 提高到1 0 弓1 0 之量级。 载氢增敏技术提高光纤光敏性的效果非常明显，且成本低，操作也比较简 8 第一章绪论 单，目前已成为写制光栅的主流增敏技术。载氢增敏的缺点是载氢后写制的光 栅热稳定性比较弱，且载氢后光纤的韧性也会有所降低。 二、光纤光栅写制紫外光源 目前，写制光栅的紫外光源主要有准分子激光器、倍频甜离子激光器、倍 频染料激光器、倍频光参量振荡器激光器等。 准分子激光器是一种写制光纤光栅常用的紫外光源，目前商用的准分子激 光器主要有1 9 3 n m 和2 4 8 n m 两种，输出的脉冲能量比较高( 激光脉冲的功率密度 可达1 0 5 1 0 6 w e m 2 ) 。 k r f 准分子激光器输出波长为2 4 8 n m ，单个2 4 8 n m 波长的激光脉冲的光子 能量约为5 0 0 e v ，而普通的单模光纤( g e 掺杂浓度为3 m 0 1 左右) “带隙”约为 7 1 e v ，因此采用k r f 准分子激光器在普通单模光纤上写制光栅的效率就比较低， 用该激光器写制光栅时需要“带隙”宽度更窄的高掺锗光敏光纤，或对光纤进 行载氢增敏。波长为1 5 7 n m 的f 2 准分子激光器单光子能量约为7 9 e v ，超过普 通单模光纤的“带隙 宽度，因此在普通单模光纤上写制的效率较高，但由于 1 5 7 n m 紫外光在空气中损耗极大，因此需要将装置放置于氮气环境下，操作非 常不便。 由于写制光源功率密度的局限，k r f 准分子激光器及f 2 准分子激光器对光 纤曝光均可认为是单光子吸收过程，即光纤中的原子一次只吸收一个光子，因 此在跨越“带隙”时需要较高的单光子能量( 输出波长较短的紫外光源) 。飞秒激 光器脉冲极短，功率密度可达到1 0 1 1 - 1 0 1 2 w c m 2 ，因此双、多光子吸收效应比 较显著。多光子吸收过程可以降低对写制光源波长的要求，采用2 6 4 n m 的飞秒 激光器写制光栅时，原子同时吸收两个光子( 两个光子能量之和为9 4 e v ) 后即可 以直接跨越纯石英的“带隙 。采用这种光源可直接在纯石英结构的一些特殊 光纤内引起折射率变化( 如光子晶体光纤) 。目前，已有采用2 6 4 n m 、2 1 1 n m 、 3 5 2 n m 、8 0 0 n m 等波长的飞秒激光器写制光纤光栅的报道1 4 们。 采用波长为1 9 3 n m 的a r f 激光器可以直接在普通单模光纤上写制光栅，并 且写制的效率很高。光纤对1 9 3 r i m 光子的吸收过程比较特殊，单个1 9 3 n m 的光 子能量不足跨越纯石英的“带隙 ，先前人们认为该过程是双光子吸收过程，但 1 9 3 n m 波长的a r f 准分子激光器的功率密度并不太高，不易实现双光子吸收。 最近的研究表明，光纤对1 9 3 n m 光子的吸收过程是两步光子吸收h 7 1 ，即掺杂光 9 第一章绪论 纤首先吸收一个光子到达中间态( i n t e r m e d i a t es t a t e ) ，由于原子在中间态上可以停 留较长时间，中间态上的原子可以再吸收一个光子，从而跨越纯石英的“带隙”， 并实现折射率的改变。到达中间态只需要1 0 3 1 0 4 w c m 2 的功率密度，由中间态 到达导带则需要1 0 6 1 0 8 w c m 2 ，而纯粹的双光子吸收效应则需要1 0 9 1 0 1 1 w c r n ：。1 9 3 r i m 激光器写制光栅效率比较高，且无需对光纤进行增敏，光栅 写制越来越多地采用这种激光器。 囊”l 一捌4 e v h 一 目前，折射率调制型光纤光栅的写制方法主要有：相位掩模法、干涉写入 法、点点写入法、相位模板投影法等。 1 、相位掩模法【3 】 相位掩模法最早由k 0 h i l l 等人提出。入射的紫外光经相位模板时发生衍 射，其士1 级衍射光在模板后发生干涉形成干涉条纹，干涉条纹的间距为a 1 2 ， 其中以为相位模板的栅格周期。干涉条纹对模板后面的光纤曝光后形成栅格周 期为a 1 2 的光纤光栅，装置如图1 5 ( a ) 所示。相位模板法写制光栅时，模板后的 干涉条纹与光源的波长无关，只与模板的栅格周期有关，对光源的相干性要求 很低，且重复性、稳定性好，适合规模化生产。缺点是每块模板只能写制固定 栅格周期的光纤光栅，且模板造价比较高。目前，相位模板士l 级衍射光可达到 总能量的3 7 ，0 级衍射光被控制在总能量的5 以下，可以保证光纤光栅的写 制质量。 2 、点点写入法【4 8 】 点点写入法是将光源发出的紫外光经透镜聚焦后照射到光纤上，光纤由精 1 0 第一章绪论 密的电动位移装置控制，处于聚焦光斑位置的光纤被曝光形成光栅，如图1 5 ( b ) 所示。这种方法的优点是光栅长度、周期及折射率调制深度可任意控制，灵活 性高。缺点是对电动位移装置的精度要求非常高，特别是写制短周期光栅时对 装置的要求更高，且由于每次光纤移动距离较短，写制光栅的时间比较长。 3 、干涉写入法【z j 干涉写入法是将相干光源发出的紫外光分束后在光纤内叠加干涉形成干涉 条纹，光纤被曝光后纤芯内形成折射率周期性分布，装置如图1 5 ( c ) 所示。这种 方法的优点是：所需激光能量较低，可以灵活地改变紫外光源的波长或分束光 的夹角的方法以写制不同栅格周期的光栅。缺点是对光源的空间相干性和时间 相干性要求很高，要精确写制特定的布喇格波长的光栅时，对光路调整的要求 也很高。 4 、相位模板投影法【4 9 j 这种方法是对相位掩模法的一种改进。相位掩模板法写制光栅时模板后的 衍射光干涉条纹间距会随相位模板到光纤距离变化较大，容易导致写制的光栅 周期不稳定；并且由于模板后紫外光强度随着模板与光纤的距离增大而迅速减 小，需要将光纤贴近模板。在曝光过程中光纤距模板过近时激光对模板的损伤 会比较严重，因此人们在相位掩模板和成栅光纤之间插入一个的透镜，使光纤 写制更便捷，同时还可以减少对相位模板的损伤，如图1 5 ( d ) 所示。 ( a ) - _ 卜 _ - - - - _ - - - f im o v e m e n t l p h o t o s e m i t i v ef i b e r ( b ) 第一章绪论 图1 5 光栅写制方法示意图 ( a ) 相位掩模法；( b ) 点点写入法；( c ) 干涉写入法；( d ) 相位模板投影法 1 2 2 t f b g 写制技术研究现状 t f b g 写制技术是由普通f b g 写制技术发展而来的，图1 5 中的各种方法 均可以用于写制t f b g 。目前，常用的方法主要是相位掩模法和相干写入法。 相位掩模法写制t f b g 的装置如图1 6 ( a ) 所示，这种方法写制t f b g 时需要 将模板旋转一个角度。研究人员发现，模板的旋转角度与写制的光栅栅面倾斜 角并不相同，两个角度之间的关系将在第二章详细阐述。相位掩模法写制t f b g 的优点是可以在确定栅格周期的同时灵活写制各种倾斜角度的t f b g ；缺点是不 适合写制大角度的t f b g 。 相干写入法写制t f b g 如图1 6 ( b ) 所示。相干写入法写制t f b g 时光栅周期