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《西安石油大学》 2020年
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非均匀光纤光栅制作与特性研究

杨丹青  
【摘要】:与传统的电传感器相比,光纤光栅传感器具有其固有的优点,如体积小、抗干扰、耐高温高压环境等,因此在光纤传感领域具有越来越广泛地应用。特别是均匀光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG),由于成熟的刻写技术,已经广泛的应用于光纤光栅传感测量领域。然而,对于非均匀光纤光栅,如相移光纤光栅(Phase shift fiber grating,PSFG))、莫尔光纤光栅、超结构光纤光栅(Superstructure fiber grating,SFG)等等,由于其复杂的周期变化以及刻写技术的限制并未得到广泛地研究与应用。本文首先理论分析了PSFG和SFG的传感机理,然后基于普通单模FBG的刻写方法—相位掩膜法,通过采取调整光路、更换材料以及与光纤Fabry-Perot(FP)腔级联等措施,制作了小尺寸、多功能的非均匀光纤光栅,包括PSFG、SFG和结构相移光栅。此外,实验研究了上述非均匀光纤光栅对环境温度、拉力、压强和折射率等的传感响应特性。本论文主要的研究内容和实验结论概括如下:(1)首先利用传输矩阵法理论分析了FBG、PSFG、SFG和结构相移光栅的光波传输特性;使用MATLAB软件设置合适参数模拟了上述光纤光栅的反(透)射谱;理论分析上述非均匀光纤光栅对温度、拉力、压强和折射率等的传感响应;(2)制作相移光栅传感器,并研究其传感特性。首先,采用遮挡法刻写了PSFG传感器,实验研究了该传感器的温度和拉力传感特性,得到了PSFG的温度灵敏度为10.1pm/℃,拉力灵敏度为1.361 nm/N;然后,制作光栅—感光胶腔传感器,研究其温度和压强传感特性,得到了该集成传感器中光栅元件对温度(温度变化范围为30℃—110℃)的响应灵敏度为11.6 pm/℃、感光胶腔对温度的响应灵敏度为223.4 pm/℃,感光胶腔对压强(压强变化范围为0 MPa—0.7 MPa)的响应灵敏度为25.0 nm/MPa,光栅对压强不响应,因此根据温度补偿法,该光栅—感光胶腔集成传感器可实现温度与压强的同时区分测量,测量分辨率分别为0.086℃和0.730 KPa;最后,为了制作非均匀光纤光栅,进一步优化了光栅-感光胶腔传感器,制作了结构相移光栅传感器,然后实验研究了该传感器的温度、压强、折射率、拉力等传感特性,实验表明该传感器在温度环境25℃-50℃中,光栅的响应灵敏度为6.2 pm/℃和-0.2299 dB/℃、感光胶腔的响应灵敏度为307.6pm/℃,在气体压力环境0 MPa-1.2 MPa中,感光胶腔的响应灵敏度为0.81 nm/Mpa,而光栅对压强不响应;液体折射率环境1.3342 RIU-1.3478 RIU中,感光胶腔的响应灵敏度为355.03 nm/RIU、光栅的响应灵敏度为319.82 dB/nm,该传感器可以实现温度、压强和折射率的同时区分测量,且测量误差分别为0.16℃,0.1245 MPa和0.0001 RIU;(3)制作SFG传感器,并实验研究其温度、拉力传感特性通过,实验得到了SMF-SFG的温度响应灵敏度为10.5 pm/℃、拉力响应灵敏度为1.3263 nm/N;SCF-SFG的温度响应灵敏度为10.6 nm/℃、拉力响应灵敏度为0.9113 nm/N。综上,我们研究了非均匀光纤光栅的光波传输特性和传感理论,然后基于FBG的刻写光路,通过调整光路、更换光纤材料、以及将光束调制技术、光纤微结构制作和特种光纤刻写等多技术进行融合,成功制作了非均匀光纤光栅传感器,并研究了其传感特性。通过对非均匀光栅理论及刻写技术的研究,将对其在光纤通信与传感检测等领域的应用具有重要的意义。
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