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《国防科学技术大学》 2013年
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用于光纤光栅传感网络的光纤光栅阵列和新型光栅器件研究

姜暖  
【摘要】:大规模光纤传感网络的迅速发展,使得传统的分立光纤器件构建这样的网络不仅技术上遇到障碍,而且在制造技术上也遇到越来越大的困难。光纤光栅技术的发展,为大规模光纤传感网络的构建提供了一种便于工业化生产的方式。在这些系统中,光纤光栅已不仅仅是一种单一的波长器件或传感单元,而是作为一种大规模光纤传感系统的功能器件和制造工艺技术在工业领域得到应用。随着光纤光栅应用技术的不断发展,各种不同结构、不同功能和多功能集成的光纤光栅器件不断涌现,使得构建具有更复杂功能和更良好性能的光纤光栅传感网络成为可能。这为光纤光栅和相关系统应用开拓更大领域的同时,也为基础理论研究提出了一系列新的课题,对其研究必须发展新的理论和实验研究方法。本文以大规模光纤光栅传感阵列为背景,对单根光纤上制作多组光纤光栅的系统理论、制造技术和测试技术进行了深入研究。对具有复合功能的光纤光栅耦合器、光纤光栅偏振器以及微纳光纤光栅进行了理论和实验研究,这些新型器件将为大规模光纤光栅传感网络的发展提供新的支撑。本论文的主要研究结果和创新点如下:1.对单根光纤上多组光纤光栅复合系统进行研究,突破制造技术和单根光纤上多组低反射率光纤光栅独立性能的在线实时监测技术,解决了光纤光栅传感网络的制造和应用的关键基础问题。2.研制成功了光纤光栅耦合器,这种复合功能器件具有特殊的波长选择性和传输特性,在复杂全光纤网络的上、下行节点上有重要应用,是构建更加复杂的光纤光栅传感网络的重要节点。3.提出一种小型化的集成功能器件--光纤光栅偏振器,通过建立三维复合波导模型,分析了光经过此波导的偏振特性,采用特殊工艺制作了保偏光纤光栅偏振器,并将其应用于环形腔光纤激光器,替代两个组合器件,实现了单偏振单纵模输出。光纤光栅偏振器的应用,将使复杂光纤光栅传感网络具备偏振控制能力。4.研制了新型的微纳光纤光栅器件,进行了此类器件的微拉力和化学参量传感,实现了比普通光纤光栅高156倍的40.001nm/N高灵敏度微拉力测量和可以区分0.038%质量浓度变化的高灵敏度盐溶液检测。微纳光纤光栅的使用,将进一步促进其小型化和提高光纤光栅传感网络的灵敏度。
【关键词】:光纤光栅 光敏光刻 在线监测 传感阵列 光纤光栅耦合器 光纤光栅偏振器 微纳光纤光栅
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN253
【目录】:
  • 摘要12-13
  • ABSTRACT13-14
  • 第一章 绪论14-29
  • 1.1 引言14-15
  • 1.2 研究背景15-22
  • 1.2.1 光纤光栅发展概述15-17
  • 1.2.2 光纤水听器传感阵列的研究进展17-22
  • 1.3 新结构新功能光纤光栅器件的发展概述22-26
  • 1.3.1 光纤光栅耦合器22-24
  • 1.3.2 光纤光栅偏振器24
  • 1.3.3 微纳光纤光栅24-26
  • 1.4 本论文研究思路及结构安排26-29
  • 1.4.1 研究目的及思路26-27
  • 1.4.2 论文主要内容27-29
  • 第二章 光纤光栅理论仿真分析及制作技术基础29-46
  • 2.1 光纤光栅的耦合模理论29-33
  • 2.1.1 光纤光栅模式耦合理论30-31
  • 2.1.2 光纤布拉格光栅的模式耦合理论31-33
  • 2.2 光纤布拉格光栅光谱仿真结果33-37
  • 2.2.1 普通光纤布拉格光栅反射光谱直观图像33-34
  • 2.2.2 普通光纤布拉格光栅反射光谱定量分析34-36
  • 2.2.3 普通光纤布拉格光栅时延特性36-37
  • 2.3 传输矩阵法37-38
  • 2.4 特种光纤光栅光谱仿真结果38-41
  • 2.5 光纤光栅相位掩模法制作参数影响规律研究41-45
  • 2.5.1 单个脉冲曝光能量42-43
  • 2.5.2 预拉力43-44
  • 2.5.3 曝光时间和脉冲频率44-45
  • 2.6 本章小结45-46
  • 第三章 光纤光栅阵列制作及实时监测技术46-60
  • 3.1 光纤光栅性能测试方法简介46-50
  • 3.1.1 单支光纤光栅性能测试技术46-48
  • 3.1.2 单根光纤上多个不同布拉格波长光纤光栅性能测试技术48-49
  • 3.1.3 单根光纤上多个相同布拉格波长光纤光栅性能测试技术49-50
  • 3.2 光纤光栅传感阵列的制作50-54
  • 3.2.1 低反射率光纤光栅F-P腔的光谱分析及制作50-52
  • 3.2.2 单根光纤上多组相同布拉格波长低反光纤光栅的制作52-54
  • 3.3 同一光纤上多个相同布拉格波长低反光纤光栅性能的实时监测54-59
  • 3.3.1 实时在线监测方案原理54-55
  • 3.3.2 实时在线监测实验55-59
  • 3.4 本章小结59-60
  • 第四章 光纤光栅耦合器的理论与实验研究60-79
  • 4.1 光纤光栅耦合器理论分析60-69
  • 4.1.1 熔融拉锥光纤耦合器的耦合模理论60-68
  • 4.1.2 光纤光栅耦合器中的光传输理论68-69
  • 4.2 光纤光栅耦合器制备方法摸索69-76
  • 4.2.1 光纤光栅耦合器制作工艺技术69-70
  • 4.2.2 光纤光栅耦合器性能影响因素分析70-76
  • 4.3 光纤光栅耦合器光分插复用实验76-78
  • 4.4 本章小结78-79
  • 第五章 光纤光栅偏振器的理论与实验研究79-96
  • 5.1 集成化小型光纤光栅偏振器理论分析79-84
  • 5.1.1 保偏光纤偏振器的起偏原理79-82
  • 5.1.2 光纤光栅偏振器波导传输理论分析82-84
  • 5.2 集成化小型光纤光栅偏振器研制测试84-92
  • 5.2.1 单模光纤光栅偏振器制作和测试84-87
  • 5.2.2 保偏光纤光栅偏振器工艺制作技术摸索87-88
  • 5.2.3 保偏光纤光栅偏振器反射和透射光的偏振性能测试实验88-90
  • 5.2.4 保偏光纤光栅偏振器温度应变特性测试实验90-92
  • 5.3 保偏光纤光栅偏振器在环形腔光纤激光器中的应用研究92-95
  • 5.3.1 基于保偏光纤光栅偏振器的光纤环形腔激光器光谱特性92-94
  • 5.3.2 基于保偏光纤光栅偏振器的光纤环形腔激光器相位噪声特性94
  • 5.3.3 基于保偏光纤光栅偏振器的光纤环形腔激光器消光比特性94-95
  • 5.4 本章小结95-96
  • 第六章 微纳光纤光栅的理论与实验研究96-123
  • 6.1 微纳光纤光栅理论分析96-106
  • 6.1.1 微纳光纤的基本模型96-102
  • 6.1.2 微纳光纤光栅的理论分析102-106
  • 6.2 微纳光纤光栅制作技术106-114
  • 6.2.1 工艺制作技术摸索106-111
  • 6.2.2 光谱特性测试分析111-113
  • 6.2.3 微纳光纤光栅浓度传感特性实验113-114
  • 6.3 微纳光纤光栅传感实验114-122
  • 6.3.1 6μm直径微纳光纤光栅的浓度传感实验114-116
  • 6.3.2 细直径光纤光栅微拉力传感实验116-117
  • 6.3.3 细直径光纤光栅解决温度应力交叉敏感问题实验117-122
  • 6.4 本章小结122-123
  • 第七章 结论与展望123-126
  • 7.1 论文主要工作及相关成果123-125
  • 7.2 后续工作展望125-126
  • 致谢126-128
  • 参考文献128-139
  • 作者在学期间取得的学术成果139-140

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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