CO2激光制备新型长周期光纤光栅及传感特性研究

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长周期光纤光栅(LPFG)在光纤传感和光纤通信等领域具有广阔的应用前景。与其他制作方式相比,CO2激光曝光法制备法由于具有成本低、可靠性高、灵活性强、适用光纤类型广等优点,引起了人们广泛的关注。在国内外学者研究的基础上,尤其是导师王义平教授近10年研究成果的基础上,本文作者提出了一种改进的CO2激光二维扫描制备LPFG的方法,并对该方法制备的新型LPFG的光谱特性及传感特性做了比较系统和深入的研究,取得了一些创新性成果,主要工作总结如下:1、从残余应力释放、玻璃致密化、物理变形三个方面讨论了CO2激光制备LPFG引起折射率调制的机理,根据不同的曝光方法、不同的激光曝光能量、不同的光纤类型,其折射率调制机理重要性不同。运用耦合模理论详细分析并计算了LPFG的光谱传输特性,纤芯基模、包层模有效折射率与波长的关系。根据有限元分析法,对激光曝光前后光纤波导的模式分布进行分析仿真,提出了CO2激光单侧曝光使光纤横截面折射率分布不均匀,从而导致LPFG的非对称模式耦合。2、设计并搭建了一套高频CO2激光脉冲二维扫描制备LPFG的实验系统,主要包括搭建CO2激光光路系统以及软件编程控制电动位移平台,并对系统进行了优化改进有效提高了光栅制备的稳定性、重复性和成功率。利用该系统在普通单模光纤上制备了无任何物理变形的LPFG,并系统研究了其光谱特性,包括制备过程光栅中传输谱的演变、相位匹配曲线、模场分布、偏振相关损耗等;最后进一步研究了它对温度、应变、折射率等外界环境因素变化的传感响应特性,为后续新型LPFG的研究工作打下重要的实验基础。3、首次利用聚焦CO2激光在细芯光纤上制备了具有周期性刻槽的细芯长周期光纤光栅(T-LPFG),并深入研究了这种新型光纤光栅的光谱特性和传感特性,实验研究表明:(1)与普通LPFG相反,在T-LPFG的制备过程中谐振峰波长向长波方向漂移,且在传输谱上会出现更多的损耗峰对应着更高阶包层模式的耦合,这可能是光纤纤芯高掺杂成分所引起,此外T-LPFG谐振峰3d B带宽较窄仅为8.3nm,而偏振相关损耗较高可达20d B以上。(2)单侧周期性刻槽会在光纤表面形成应力集中区,在轴向应力作用下微弯形成褶皱型结构,从而将T-LPFG的应变响应灵敏度有效提高到-8.3pm/με;此外由于周期性刻槽结构引起的折射率变化主要发生在包层,包层模模式更容易受外界环境变化的影响,而且T-LPFG主要激发了高阶包层模的耦合,因此其谐振波长对外界环境折射率变化的响应灵敏度远高于普通LPFG,在1.42-1.44的折射率变化范围内可达1419.4nm/RIU;T-LPFG的温度响应灵敏度与普通LPFG的温度响应灵敏度处于同一个数量级,而温度变化时由于光纤材料本身的热效应(热光、热膨胀)所引起的折射率测量误差约仅为8%。4、在国际上首次发明了一种新型的基于气压辅助的CO2激光脉冲二维扫描制备膨胀型长周期光纤光栅(I-LPFG)方法(已获国家实用新型专利,专利号ZL201420209917.8),该方法能应用在任意类型的带孔光纤上,如实芯光子晶体光纤,光子带隙光纤、悬芯光纤等,这不仅提高了光子晶体光纤光栅的制备效率,同时又保证了光纤光栅的机械强度,具有可重复性高,适用性强,灵活性好等优点。利用该方法在光子晶体光纤上成功制备了消光比达30d B插入损耗小于0.5d B的高质量I-LPFG,并对这种新型长周期光纤光栅的光谱特性和传感特性进行了系统的研究,研究结果表明:(1)I-LPFG的相位匹配曲线与普通LPFG相反,即随着光栅周期增大谐振峰波长向短波方向漂移,具有负色散特性,而且制备过程中光栅谐振波长基本不漂移,这有利于设计I-LPFG的谐振峰位置。此外,由于光子晶体光纤空气孔的非对称膨胀导致双折射效应明显,因而I-LPFG透射谱具有一定的偏振相关性。(2)周期性膨胀结构形成单侧应力集中区,在光纤两端施加轴向应力时会引起光纤拉伸和微弯,进而改变光纤有效折射率,因此I-LPFG的应力响应灵敏度比普通LPFG的应力响应灵敏度提高了一个数量级,达到了-5.62 pm/με;在低温环境下I-LPFG的温度响应稳定性和线性度都较好且温度灵敏度较低仅为2.8 pm/°C,而高温退火测试则发现I-LPFG在高温环境中的温度响应非常不稳定,线性度和重复性都较差,经过多次温度升降退火后其温度响应重复性、线性度都有较大改善,且温度灵敏度提高到了11.92 pm/°C;最后由于光子晶体光纤的空气孔之间相互挤压膨胀,使得包层与孔壁厚度均变薄,当受外界气压作用时,更容易导致光纤物理变形并由于弹光效应使光纤有效折射率发生变化,从而大大提高了I-LPFG的气压响应灵敏度,其气压灵敏度比普通LPFG的气压灵敏度提高了一个数量级,达到了1.68nm/MPa,而普通LPFG仅为0.12 nm/MPa,且气压测量范围可达到10MPa。
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