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可见光波段长周期光纤光栅传感特性研究

冯双磊  
【摘要】:传统的光纤光栅传感器的中心谐振波长通常都位于红外光波段即光源为宽带红外光源。高分辨红外光波长探测和红外宽带光源成本高、体积大,这也影响着光纤光栅传感技术的普及应用。近年来廉价、高性能的大功率LED白光光源技术发展迅速,加上可见光波段的高分辨光波长探测成本低,因此可见光波段的光纤传感器件将在光纤传感领域发挥越来越多的重要作用。 目前红外波段光纤光栅传感器及检测系统的研究与应用已经比较成熟。对可见光波段布拉格光纤光栅的研究刚刚起步。可见光波段长周期光纤光栅的研究尚未见报道。基于长周期光纤光栅的一些优点,本文研究了可见光长周期光纤光栅的设计,传感特性以及长周期光纤栅的一些新的耦合特性,主要内容如下: (1)对光纤光栅的类型,制作技术和应用作了全面的介绍。 (2)介绍了长周期光纤光栅耦合模理论及分析其特性的基本方法,分析了长周期光纤光栅中纤芯基模和包层模的有效折射率的变化规律、模场分布规律、耦合系数的变化规律及透射谱的计算模拟。 (3)从耦合模理论出发,采用三层介质光纤模型,用数值计算的方法分析了长周期光纤光栅纤芯模和包层模的有效折射率,一阶低次包层模的耦合系数随波长以及阶次的变化关系。研究发现低次包层模的最大耦合系数对应的模次随波长增大而减小,不同光纤参数下耦合系数随波长变化的规律不同。耦合系数直接影响到光栅透射谱损耗峰峰值,这对长周期光栅的设计有一定的参考价值。 (4)利用数值计算法得出可见光波段长周期光纤光栅波长与光栅周期的关系,按照所需光栅透射谱参数,设计出理想的可见光波段长周期光纤光栅。根据长周期光纤光栅的温度和应变理论模型,采用数值模拟的方法分析了可见光波段的长周期光纤光栅的温度和应变特性。研究表明可见光长周期光纤光栅的谐振波长随温度和应变都有很好线性变化,光谱损耗峰的幅值对温度和光栅轴向应变并不敏感,温度和应变灵敏度比红外波段长周期光纤光栅要小,但是比起可见光布拉格光纤光栅的灵敏度还是要大得多。


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