光栅布拉格光栅及其传感特研究

光栅布拉格光栅及其传感特研究

光栅布拉格光栅及其传感特性研究2

一光纤光栅概述3

1.1 光纤光栅的耦合模理论3

1.2 光纤光栅的类型4

1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅4

1.2.2 线性啁啾光纤光栅4

1.2.3 切趾光纤光栅5

1.2.4 闪耀光纤光栅5

1.2.5 相移光纤光栅5

1.2.6 超结构光纤光栅5

1.2.7 长周期光纤光栅6

二光纤布拉格光栅传感器6

2.1 光纤布拉格光栅应力传感器6

2.2 光纤布拉格光栅温度传感器7

2.3 光纤布拉格光栅压力传感器8

2.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器8

三光纤光栅传感器的敏化与封装11

3.1 光纤光栅传感器的温度敏化11

3.2 光纤光栅传感器的应力敏化11

3.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法11

四光纤光栅传感网络与复用技术11

4.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术12

4.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术14

4.1.2 基于波长分离法的波分复用技术15

4.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术15

4.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术15

4.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术16

4.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术17

4.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术19

4.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术19

4.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术19

4.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术19

4.6 混合复用FBG传感网络19

4.6.1 WDM/TDM混合FBG网络19

4.6.2 SDM/WDM混合FBG网络19

4.6.3 SDM/TDM混合FBG网络19

4.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络19

4.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络19五光栅光栅传感信号的解调方法19六激光传感器19

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

指导教师评阅书

评阅教师评阅书

教研室（或答辩小组）及教学系意见

光栅布拉格光栅及其传感特性研究

一 光纤光栅概述

1.1 光纤光栅的耦合模理论

光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表示折射率分布较为一般的描述：

()()11212

3

31,,,,n F r z r a n r z n a r a n r a ϕϕ⎧+≤⎡⎤⎣⎦⎪⎪

=≤≤⎨⎪≥⎪⎩ (1

-1)

式中：1a 为光纤纤芯半径；2a 为光纤包层半径；1n 为纤芯初始折射率；2n 为包层折射率；(),,F r z ϕ为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值为

()max

max 1

,,n F r z n ϕ∆=

；max n ∆为折射率变化最大值。 光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：

()()()()()()()()00exp exp z z dA z k z B z i q z dz dz dB z k z A z i q z dz dz

⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎰⎰ (1-2)

式中：()A z 、()B z 分别为光纤光栅区域的前向波、后向波；()k z 为耦合系数；()q z 与光栅周期和传播常数β有关。利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参量及边界条件，并借助于四阶Runge-Kutta 数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光线器件。

1.2 光纤光栅的类型

光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。非周期性光纤光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。

光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。色散补偿型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，又称为啁啾光纤光栅。

光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：

1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅

这是目前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。 由这种均匀光栅的光谱特性可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的Fabry-Perot 效应所致。这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。

1.2.2 线性啁啾光纤光栅

栅格间距不等的光栅，通常称为啁啾光纤光栅。不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。线性啁啾光纤光栅是折射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性啁啾光纤光栅