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结合课题组天津市建工集团项目“光纤光栅传感器测试建筑结构应变技术”和中国石化集团项目“常压储罐泄漏监测系统开发”等对基于光纤光栅与光子晶体光纤的传感技术进行了理论与实验研究。设计了基于圆环形薄壁截面梁(下面简称环形梁)的光纤布拉格光栅传感结构和基于双金属片的高灵敏度温度传感结构，并对两种传感结构进行了理论与实验研究。提出探测光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)横向泄漏谱实现液体折射率传感和利用多模光子晶体光纤(multi-mode PCF，MMPCF)实现弯曲传感的思想，并对这两种思想进行了理论与数值分析。
本文的主要内容概括如下：在第一章中，概述了光纤光栅传感技术的发展历史、现状和前景；归纳了光纤光栅的写入技术及其分类；指出光纤传感技术中亟待解决的问题。在第二章中，详细阐述了光纤光栅的耦合模理论；简要概述了分析光纤光栅的传输矩阵法和傅氏变换法；理论分析了光纤光栅的应力和温度传感原理，这些基本理论为我们设计光纤光栅传感器提供了理论依据。在第三章中，设计了基于环形梁的光纤布拉格光栅传感结构，并对其传感特性进行了理论与实验研究。在第四章中，设计了一种基于双金属片的温度增敏结构，并从理论与实验上对其温度增敏机制进行了研究。在第五章中，首先简要介绍了BPM(beam propagation methodl算法的基本理论思想；随后对光子晶体光纤做了概要性的介绍，了解折射率引导型和光子带隙型光子晶体光纤的光学特性：着重阐述了光子晶体光纤在传感方面的应用；最后使用BPM方法分析了光子晶体光纤的液体折射率传感和弯曲传感特性。初步取得了如下创新性成果：
(1)设计了基于圆环形薄壁截面梁(下面简称环形梁)的光纤布拉格光栅传感结构，对其传感特性进行了理论与实验分析，实现了应力的传感、温度与应力同时传感、温度自补偿的拉力传感；另外利用此传感结构实现了带宽和中心波长的独立调谐并进行了便携结构的设计。由于环形梁结构简单、方便、成本低廉有望在钢管、锁链等实际建筑结构的健康检测及波长可调谐功能器件中得到广泛的应用。
(2)设计了一种基于双金属片的温度增敏结构，将光纤Bragg光栅(fiberBragg grating，FBG)轴向粘贴于热膨胀系数差较大的两端固定的双金属片上，温度的变化不仅仅使金属片受到热效应而膨胀，而且双金属片会因热膨胀系数不同而随温度的变化发生弯曲，从而利用热膨胀和应变的共同作用达到增加光栅温度灵敏度的目的。实验中当双金属片的材料选取铝和铁时，温度敏感系数为0.08014nm/℃，其灵敏度是当时报道最大灵敏度的1.6倍。由于这种结构的线性度好、灵敏度高、性能稳定，良好的可逆性而具有非常广泛的潜在实用价值。
(3)提出将液体充入光子晶体光纤空气孔中，用宽带光源横向照射PCF，在另一侧探测，利甩BPM法对PCF的泄露谱进行了数值分析，通过监测泄漏谱的变化可实现折射率的传感。数值分析发现当基模入射到弯曲的MMPCF中会形成模式振荡，当光纤的结构参数一定时，振荡特性只依赖于曲率p，因此可通过SP(simpiefiber-PCF)系统实现曲率的传感。