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新型长周期光纤光栅特性研究

王义平  
【摘要】: 导师饶云江教授首次发明了高频CO_2激光脉冲写入长周期光纤光栅的方法。该方法利用高频脉冲的热冲击效应,由于脉冲能量集中、单个脉冲加热时间短、因此加热效率高,能高效率高质量地写入低成本的长周期光纤光栅。 本文深入研究了该方法写入的新型长周期光纤光栅的特性并取得了一些创新性研究成果,主要工作和成果如下: 1、首次系统分析了CO_2激光写入的长周期光纤光栅的形成机理,并把其归结为残余应力释放、密度变化、掺杂剂热扩散和熔融变形四个方面。详细介绍了高频CO2激光脉冲写入长周期光纤光栅的方法,该方法写入的光栅没有熔融变形。分析了单侧CO2激光加热导致长周期光纤光栅横截面折射率分布的不均匀性。 2、详细阐述了长周期光纤光栅的耦合模理论并提出了个人的见解,运用设定平均有效折射率调制而不是设定kL值的方法进行了透射谱的模拟计算,以便更加直观地理解长周期光纤光栅的实际写入过程。 3、研究了高频CO_2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的温度和轴向应变特性。谐振波长随温度和轴向应变线性变化,透射峰幅值随轴向应变线性减小但对温度不敏感。定量分析表明谐振波长的温度和轴向应变灵敏度及其变化方向与光纤类型、模式耦合的阶次等因素有关。提出了在包层外涂一层折射率随温度变化的涂覆层或运用轴向应变特性降低谐振波长的温度敏感性的方法。 4、在国际上独立发现了高频CO_2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的弯曲特性具有明显的弯曲方向相关性——圆周范围存在两个谐振波长(透射峰幅值)对弯曲最敏感的方向和两个谐振波长(透射峰幅值)对弯曲最不敏感的方向;在谐振波长和透射峰幅值对弯曲比较敏感的圆周方向,谐振波长随弯曲线性‘蓝’移,透射峰幅值随弯曲线性减小。利用耦合模理论合理解释了该长周期光纤光栅独特的弯曲特性。设计了可彻底解决交叉敏感问题的弯曲不敏感的传感器,不仅可以测量弯曲曲率而且可以判别弯曲方向的弯曲传感器和可调增益均衡器。提出了利用弯曲效应降低谐振波长的温度灵敏度和通过消除弯曲引起的轴向应变效应从而提高弯曲测量精度的方法。 5、在国际上首次了发现高频CO_2激光脉冲写入的长周期光纤光栅谐振波长的扭曲特性具有明显的扭曲方向相关性——顺时针扭曲时谐振波长线性‘红’移,逆时针扭曲时谐振波长线性‘蓝’移,无论顺时针还是逆时针扭曲损耗幅值都近似线性减小。在国际上首次发现若被扭曲的光纤比被扭曲的光栅长得多,则其谐振波长和幅值的变化将出现周期性起伏。利用扭曲引起圆双折射进而导致偏振态变化的相关理论合理解释了该长周期光纤光栅独特的扭曲特性。设计了不仅可以直 WP=5 接测量扭曲率而且可以判别扭曲方向的扭曲传感器,提出了利用扭曲特性降低长周期光纤光栅偏振相关性的方法。 6、在国际上首次发现了高频CO_2激光脉冲写入的长周期光纤光栅谐振波长的横向负载特性具有明显的负载方向相关性,圆周0°~180°范围内存在一个谐振波长线性‘红’移最敏感的方向和一个线性‘蓝’移最敏感的方向以及两个对横向负载不敏感的方向。损耗峰幅值随横向负载线性减小但其灵敏度的方向相关性较弱。不同圆周方向的横向负载对谐振波长偏振相关性的影响的差异较大,但横向负载对损耗峰幅值偏振相关性的影响较小。利用横向负载引起双折射进而导致光栅的光学主轴旋转的相关理论合理解释了该长周期光纤光栅独特的横向负载特性及其偏振相关性。设计了利用单个长周期光纤光栅实现温度和横向负载同时测量的传感器和可实现谐振波长和幅值快速独立调节的可调增益均衡器。


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