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基于抗弯光纤的长周期光纤光栅特性研究

汤伟锋  
【摘要】:自从1999年饶云江教授发明了基于高频CO_2激光脉冲单侧周期照射光纤写入长周期光纤光栅的方法以来,本人所在团队对LPFP的写入方法、成栅机理、基本性质和实际应用等多个方面进行了系统的研究,逐步形成体系。近年来,随着人们对信息需求量的爆炸性性增涨,光纤到户取得了很大发展,这得益于抗弯光纤的发明。随着抗弯光纤大量运用于光纤通信体系末端,研究其传感特性就显得特别重要而且有意义。本文结合课题组的积累,采用高频CO_2激光脉冲在抗弯光纤制作长周期光纤光栅,研究其传感特性,取得了一定的创新性研究成果。主要内容如下: 1.采用高频CO_2激光成功在带纳米环结构的抗弯光纤上写入长周期光纤光栅。对该型长周期光纤光栅的温度和应变传感特性进行研究,发现其温度灵敏度较基于普通光纤的长周期光纤光栅提高近三倍,并且温度提高后灵敏度有所提高。另外不同周期的谐振峰对应变的灵敏度差别较大。结合不同周期的温度和应变特性的差异提出一种温度和应变同时测量的传感器结构,并申请发明专利。 2.在前面的提到的温度应变同时测量的传感器结构实际上是基于两个长周期光纤光栅组合形成的。论文在改善写入方法,即写入时施加特定大小的拉力,在一个长周期光纤光栅形成两个谐振峰,然后研究其温度和应变特性发现两个谐振峰的应变灵敏度存在较大差异,随即提出基于单个长周期光纤光栅的温度应变同时测量的传感器结构,申请发明专利。 3.论文对基于抗弯光纤的长周期光纤光栅的弯曲和扭曲特性进行了初步研究。发现其弯曲存在明显的方向相关性,在特殊的方向(比如CO_2激光写入方向)上具有较大的弯曲灵敏度,而在其他方向上弯曲对谐振波长的影响很小。该型长周期光纤光栅不同阶数的耦合模对扭曲存在不同的响应,低阶模的谐振峰对扭曲方向明显敏感,而高阶模的谐振峰对扭曲方向不敏感,谐振波长对扭曲呈周期性起伏。 4.论文采用小周期数成功写入长周期光纤光栅,其谐振峰带宽极大提高,3dB达到240nm,从其透射谱上可以看出其跨越了1310nm和1550nm这两个常用的通信波段,利用边缘滤波效应,实现温度的测量。该传感系统使用波长为1310nm和1550nm双波长作为输入光,激光经过长周期光纤光栅的衰减后被光电探测器接收,探测器输出电压信号,经计算转换成温度信息。当光栅处的温度变化后,其透射谱线整个的移动,光源波长处光栅衰减值发生变化,光电探测器接收的激光强度也跟随变化,所以测量探测器输出的电压值即可得到光栅处温度变化情况。这种传感系统结构简单、成本低、响应迅速、量程大,适合于高温测量。


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