光纤光栅传感与光纤光栅激光器的应用研究

【摘要】：光纤光栅是一种重要的光纤型无源器件,它在光纤传感、微波光子学以及光纤通信技术等领域有着重要的应用,得到了广泛的研究和产业关注。本文针对光纤光栅在光纤传感领域的两个重要研究方向(光纤光栅传感器的设计制作以及传感信号的解调和复用)以及基于光纤光栅的DBR光纤激光器的应用技术进行了研究。 本文首先简介了光纤光栅出现的研究背景；介绍了光纤光栅传感技术并对其研究热点进行了分析和说明；介绍了光纤光栅激光器的应用情况。 接着介绍了光纤光栅的物理模型和基本理论工具(包括射线理论,耦合模理论和传输矩阵算法)；简介了几种主要的光纤光栅类型,并通过模拟计算分析了它们的光谱特性；介绍了几种常见的光纤光栅制作方法以及本论文中所使用的光纤光栅制作系统。 然后设计并通过实验验证了两种基于光纤光栅复合结构的光纤光栅传感器：研究基于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的高分辨率传感器,并通过一个扫频单纵模半导体激光器实现了其传感信号的低成本快速解调；研究了倾斜光纤光栅(TFBG)与长周期光纤光栅(LPG)之间的包层模耦合特性,并实现了基于LPG-TFBG复合结构的振动传感器。 接下来提出了几种光纤布拉格光栅传感器的解调和复用技术：研究了基于低相干反射计的FBG传感器解调技术,分别通过不同拓扑结构实现了FBG传感器的复用,实现了基于结合低相干复用和空分复用的混合复用FBG多参量传感网络,并进行了甲烷浓度、温度、应力等多种参量的测量实验；提出了基于微波光子滤波器的FBG传感器解调与复用方案并进行了实验验证；研究了基于频谱受限的FDML光纤激光器的FBG传感器解调与复用系统的原理,并利用该系统实现了相同波长的低反射率FBG传感器的解调与复用,搭建了结合拉曼放大的频谱受限FDML光纤激光器,并将其用于长距离传感。 最后在两种不同的光纤上制作出了短腔布拉格反射式(DBR)光纤激光器。其中在细芯掺铒光纤上制作的短腔DBR光纤激光器因具有很低的偏振拍频频率而适用于光纤传感,通过实验研究了其在水听器和高灵敏度弯曲传感器中的应用,并通过二次曝光技术实现了偏振拍频频率可调；在保偏掺铒光纤上制作的短腔DBR光纤激光器具有很高的偏振拍频频率而适用于高频微波源,实验中获得了频率高达46.66 GHz的高频微波信号,并通过频率上/下转换技术实现了高频微波信号的低频测量。