【摘 要】
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由于长周期光纤光栅（LPFG）对外界环境非常敏感的特点,已广泛应用于生物医疗、航空工业和桥梁道路等领域。随着少模光纤（FMF）的发展与应用,人们开始研制少模长周期光纤光栅（FM-LPFG）。FM-LPFG可支持少数几个纤芯模同时进行传输,不同纤芯模与不同阶次包层模之间的耦合使得传输谱中呈现多个谐振峰,FM-LPFG拓展了光纤光栅在传感领域的应用,丰富了光栅的波长选择性。目前有关FM-LPFG的研究
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由于长周期光纤光栅（LPFG）对外界环境非常敏感的特点,已广泛应用于生物医疗、航空工业和桥梁道路等领域。随着少模光纤（FMF）的发展与应用,人们开始研制少模长周期光纤光栅（FM-LPFG）。FM-LPFG可支持少数几个纤芯模同时进行传输,不同纤芯模与不同阶次包层模之间的耦合使得传输谱中呈现多个谐振峰,FM-LPFG拓展了光纤光栅在传感领域的应用,丰富了光栅的波长选择性。目前有关FM-LPFG的研究大多集中于实验部分,理论方面的研究相对较少,结构比较单一。为了进一步提高少模光纤光栅传感器对外界环境的响应特性,本文将提高单模长周期光纤光栅（SM-LPFG）传感器性能的结构方法应用于FM-LPFG,结合少模光纤光栅自身的优点,设计具有优良传感特性的新型FM-LPFG传感器,为光纤光栅传感器在灵敏度、分辨率和多参量测量等方面提供了有力的指导。论文第一章简述了少模光纤光栅的发展,详细介绍了FMF的模式表示以及FM-LPFG的耦合模理论。介绍了少模光纤光栅在传感领域的研究现状及应用,分析了光纤光栅高性能传感器的结构设计方法。引入课题提出的背景,给出了论文结构安排及内容。论文第二章将模式垒区和双峰谐振效应结合,设计高灵敏度FM-LPFG折射率传感器。本章基于FM-LPFG耦合模理论,分析了包层模有效折射率随薄膜厚度的响应特性,通过选择合适的薄膜厚度使得FM-LPFG工作在模式垒区。其次,确定光栅周期,分析了FM-LPFG工作在相位匹配转折点附近时不同包层模耦合的双峰谐振特性。最后,研究了位于模式垒区及相位匹配转折点的镀膜双峰谐振FM-LPFG传感器对外界环境的响应特性,该传感器的折射率灵敏度可达18930nm/RIU,比传统非镀膜FM-LPFG传感器的折射率灵敏度提高了一个数量级。此外,在有限的探测时间内,相比于环境折射率变化带来的谐振波长偏移量,温度波动对折射率测量的影响几乎可以忽略不计,能够有效避免折射率探测过程中温度带来的交叉敏感。论文第三章基于FM-LPFG自身损耗峰带宽较小的特点,提出采用级联的方式来进一步减小FM-LPFG的损耗峰带宽,设计了一种新型少模级联长周期光纤光栅（FM-CLPFG）窄带宽折射率传感器。通过选取合适的光栅周期和光栅长度减小各模式下损耗峰之间的互扰并保证较大的损耗峰耦合强度,分析了级联光纤长度和级联光栅段数对损耗峰带宽的影响。综合各参数对损耗峰的影响设计了带宽约为1nm的FM-CLPFG窄带宽传感器,该带宽达到了普通布拉格光纤光栅的带宽大小。在满足窄带宽的要求下,该传感器的折射率灵敏度远高于布拉格光纤光栅传感器的灵敏度,且并不低于常规的LPFG传感器灵敏度。论文第四章提出了一种FM-LPFG和SM-LPFG级联的组合式光纤光栅双参量测量传感器,理论模拟了FM-LPFG和SM-LPFG的折射率和温度传感特性。基于仿真结果刻制了组合式FM-LPFG/SM-LPFG级联结构传感器,进一步通过实验研究了透射谱中相邻两谐振峰对环境折射率和温度的响应特性,两谐振峰分别对应SM-LPFG和FM-LPFG中纤芯模与包层模的耦合。通过建立灵敏度系数矩阵,实现了环境折射率和温度的同时测量。论文第五章探究了少模光纤光栅的刻制过程及传感特性。分析了FMF长度和光纤对接方式对干涉峰峰谷间隔和干涉峰峰值的影响。利用CO2激光器刻制了不同类型结构的FM-LPFG传感器,研究了光纤光栅参数对透射谱的影响,实验现象与理论结果一致。进一步探索了FM-LPFG和FM-CLPFG对环境折射率和温度的响应特性,结果显示FM-LPFG中纤芯模与高次包层模耦合形成的谐振峰对环境折射率和温度的灵敏度均高于低次包层模;对于FM-CLPFG,级联后纤芯模与某一阶次包层模干涉形成的各损耗峰灵敏度近似相同。论文第六章对工作内容进行了总结,概括了本文设计的新型FM-LPFG传感器在传感领域的应用及特点。同时指出本文工作的不足,展望FM-LPFG在未来的发展方向。本文对FM-LPFG的实验处于初步探索阶段,在今后的研究工作中,可结合本文的理论模拟结果,制作高性能FM-LPFG传感器。
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