超声作用于布拉格光纤光栅的特性研究

【摘要】： 由于超声作用将导致光纤布拉格光栅(FBG)发生微弯曲,从而对FBG的纤芯折射率作出相应的调制,使得FBG的反射谱和透射谱发生显著的变化。利用该特点,国外研究者已经实现了基于超声调制FBG传感器、可调谐反射器、光开关、光纤滤波器等。 首先,对超声检测中的超声波以及超声换能器进行了简单的介绍,提出检测应用中超声波的优点,并介绍了超声波的类型,同时对超声换能器产生超声波的原理和超声换能器的结构作了介绍。 其次,从光栅基本理论出发,得出了超声作用导致光栅横向振动时光栅中存在三种主要的耦合方式,提出了经过修正之后的耦合模方程,根据失谐量定义,从相位匹配条件出发,定性地分析了光栅横向振动的反射谱特性。另外,从光栅超晶格理论出发,本文也简单介绍了纵向振动反射谱特性。 第三,提出了基于Newton-Raphson方法的算法,对横向振动反射谱特性进行了数值模拟,这种算法快速稳定并且收敛。同时对数值模拟的反射谱进行了详细的分析。通过对数值模拟过程中选择的耦合模数目和超声强度进行优化分析,获得的结论是:如果没特殊要求的话,多模耦合方程中只需要选择两个模式就可以得到较精确的谱线。 最后,根据理论分析,计算了要产生一阶包层模需要的超声波长以及对应的超声换能器频率,并进行了光纤光栅超声横向振动实验。测量了不同超声功率下FBG的反射谱。实验结果与理论基本相吻合。