相位掩模技術(shù)的光纖布拉格光柵制作工藝研究

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個(gè)線性區(qū)監(jiān)測單個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但易受光源抖動(dòng)及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個(gè)線性區(qū)同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)對溫度進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)驗(yàn)的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進(jìn)系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達(dá)式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個(gè)數(shù)量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進(jìn)行比較,然后針對各個(gè)解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長度等參數(shù)進(jìn)行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機(jī)理和特點(diǎn),并介紹了基于arm實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進(jìn)行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

根據(jù)耦合模理論,數(shù)值模擬了多模光纖布拉格光柵的傾斜角度對纖芯基模向纖芯高階模式的轉(zhuǎn)換問題.反射光譜的數(shù)值計(jì)算中,假定只有l(wèi)p01模式激發(fā)情況下lp01模式與lp11模式的轉(zhuǎn)換。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個(gè)布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)、光纖光柵位移計(jì)對一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實(shí)橋測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實(shí)際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實(shí)反映加載的整個(gè)過程,實(shí)現(xiàn)加載過程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時(shí)利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達(dá)到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補(bǔ)償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時(shí)獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中,線性度均達(dá)到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進(jìn)行載荷實(shí)驗(yàn),隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實(shí)時(shí)顯示骨骼受載荷時(shí)的形變趨勢.實(shí)驗(yàn)采用在多點(diǎn)粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實(shí)驗(yàn)表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達(dá)39.00525pm/mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對發(fā)展微型、實(shí)時(shí)、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

載流導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個(gè)fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙fbg通過補(bǔ)償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

采用聚焦的紅外飛秒激光對紫外激光刻寫的ⅰ型光纖布拉格光柵(fbg)分別進(jìn)行了單點(diǎn)和掃描式曝光實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了飛秒激光脈沖能量遠(yuǎn)低于光纖的損傷閾值情況下,脈沖激光對光柵光譜的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光單點(diǎn)照射柵區(qū)任意位置時(shí),照射過程中的光譜有較大紅移,且光譜結(jié)構(gòu)不再是單透射峰而是不規(guī)則的多透射峰;然而照射結(jié)束后的布拉格波長藍(lán)移且光柵透射率增加,隨著曝光時(shí)間的增加該變化逐漸趨于飽和。通過建立非均勻溫度場擴(kuò)散模型,激光誘導(dǎo)的折射率變化會(huì)疊加在原光柵的折射率調(diào)制分布上,理論仿真了不同曝光時(shí)間后和曝光過程中的光譜變化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)激光脈沖在光纖光柵中傳播時(shí)所滿足的相干耦合非線性薛定諤方程,利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,研究了激光脈沖在拋物線平方變跡布拉格光纖光柵中傳輸時(shí),在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)產(chǎn)生的調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜的特性.結(jié)果表明,在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)都能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性,并且調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜都受拋物線平方變跡函數(shù)的制約.

本文從理論上研究和分析了一種基于otdr和tdm技術(shù)的新型光纖布拉格光柵復(fù)用方法的復(fù)用能力。這種方法可以在同一根光纖上復(fù)用成百個(gè)全同的低反射率布拉格光柵,從而使布拉格光柵傳感器在航空航天健康監(jiān)測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。分析表明,當(dāng)布拉格光柵的反射率足夠低時(shí),系統(tǒng)的復(fù)用能力可以大大提高。因此,基于這種復(fù)用方法,可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的大規(guī)模分布傳感系統(tǒng)。在評價(jià)這種系統(tǒng)的復(fù)用能力時(shí),我們第一次提出應(yīng)該考慮光柵間多次反射光的干涉效應(yīng)的影響。

為了安全可靠地建好每座大跨橋梁,就要對每座橋的施工過程進(jìn)行安全監(jiān)測,傳統(tǒng)的安全監(jiān)測方法是采用電測技術(shù),由于抗電磁干擾性差等原因,測試的數(shù)據(jù)真實(shí)性差。筆者在布拉格光纖光柵的傳感原理、室內(nèi)懸臂梁試驗(yàn)和埋設(shè)工藝的研究基礎(chǔ)上,成功地在黑大公路牛頭山大橋上布設(shè)了布拉格光纖光柵應(yīng)變傳感器,為對比布拉格光纖光柵的監(jiān)測結(jié)果,埋設(shè)了應(yīng)變磚測試混凝土的應(yīng)變,監(jiān)測了該橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁先簡支后連續(xù)施工的全過程,施工監(jiān)測結(jié)果表明:布拉格光纖光柵監(jiān)測大橋施工結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠,同時(shí)證明該光纖光柵測試技術(shù)可以用于橋梁施工過程的安全監(jiān)測且結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)的電測技術(shù)。

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(qū)(約1.333～1.360)對折射率與溫度同時(shí)測量的理論模型,分析其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應(yīng)的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結(jié)果表明,可通過減小腐蝕區(qū)的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時(shí)會(huì)降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單端腐蝕fbg,進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實(shí)驗(yàn)中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學(xué)腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對外部折射率的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達(dá)到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

利用有限元法對一種柚子型光子晶體光纖中的傳輸模式進(jìn)行了模擬,得到了各傳輸模式的有效折射率和模場分布。結(jié)合耦合模理論和相關(guān)函數(shù)方法,對柚子型光子晶體光纖布拉格光柵反射譜進(jìn)行了理論分析,解釋了柚子型光纖光柵出現(xiàn)多個(gè)諧振峰的原因;數(shù)值分析了光纖纖芯直徑和空氣孔尺寸對光柵傳輸譜的影響。結(jié)果表明諧振峰波長隨纖芯直徑的增大向長波方向漂移,而隨空氣孔增大向短波方向移動(dòng),并且不同諧振模式的變化幅度不同;利用相位模板法寫制了光子晶體光纖光柵,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析能夠很好地吻合。