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基于长周期光纤光栅的传感器与解调复用技术研究

姜萌  
【摘要】:随着光纤技术的飞速发展,光纤光栅已经逐渐成为一种关键型的光学器件在光通信和光传感领域取得广泛的应用。光纤光栅按照周期长短可分为布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅。目前布拉格光纤光栅已经在工业被广泛采用,而长周期光纤光栅的实际应用价值还没有被很好的研究。基于同向模式互相耦合的机制,长周期光纤光栅不但可广泛用于增益平坦滤波器、色散补偿器等,还可以利用其包层模对环境折射率的敏感性研制优良的生物化学传感器。 本文主要围绕长周期光纤光栅的传感应用,介绍了我们自主设计和制备的基于长周期光纤光栅的探针式传感器,以及两种可以复用长周期光纤光栅传感器的信号解调技术和系统。 首先,概括介绍了光纤光栅的基础背景,其中包括光栅的分类、制作以及目前传感领域的应用情况。利用耦合模理论和传输矩阵讨论了长周期光纤光栅的理论计算并介绍了实验室搭建的用于制作长周期光纤光栅的紫外刻写系统。 我们设计和制备了三种新颖的传感器,由传统的透射式工作模式的长周期光纤光栅传感器改进成反射型工作模式的传感探针。1)带端面反射镜的长周期光纤光栅传感器形成了光纤型迈克尔逊干涉仪,利用干涉条纹提高了传感器的分辨率;2)带小孔散射器的长周期光纤光栅传感器则是反射了谐振波长部分,在不改变传感特性的前提下把长周期光栅改造成探针式器件;3)带端面选择性反射膜的长周期光纤光栅在传感器结构上进一步简化缩小了探针的实际尺寸。我们结合镀膜工艺、光刻技术等制备了上述三种基于长周期光纤光栅的反射式传感探头,并对它们的折射率传感特性进行了测试。另外,结合层层自组装技术在长周期光纤光栅表面涂覆高分子膜制备出了用于测量溶液pH值的传感器。 虽然长周期光纤光栅在单点测量有着非常好的特性,但是它很少被用做多点复用传感器。由于长周期光纤光栅的透射型工作模式和多个宽带损耗峰,比较常见且技术成熟的波分复用(WDM)和时分复用(TDM)技术无法用于此类传感器的解调复用。为了推动长周期光纤光栅传感器的实用化进程,我们提出了两种可以解调长周期光纤光栅型传感器的复用网络——低相干复用系统和光频域反射复用系统。 低相干复用技术采用宽带光源通过不同的干涉发生条件来区分网络中的每个传感点的。它不仅是一种复用手段,同时也提供了对传感器信号解调的方法。这种技术解调系统原理简单,成本远远低于WDM、TDM等系统,具有更大的商业价值。我们设计并搭建了基于低相干复用技术的系统可以解调基于长周期光纤光栅的传感器,测量了应力、温度、微弯等信号。另外,也介绍了该系统用于对布拉格光纤光栅对的复用与解调。 将来源于微波雷达系统的频分复用技术引入到光领域的光频域反射复用系统,已经广泛用于光纤反射式器件的解调。我们在传统光频域反射系统上改进、设计并搭建了用于解调复用长周期光纤光栅的实时多通道传感系统,并测量了微弯信号。另外,我们对光频域反射复用系统解调布拉格光纤光栅的原理和实验也进行了测试与讨论。


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