高温热重生光纤布拉格光栅制备及其性能研究

通过高温(850～950℃)退火方法使光纤布拉格光栅在高温擦除后重新生长形成热重生光纤光栅,其能够在大于1 000℃以上的高温环境中稳定工作,但经高温退火处理后的热重生光纤光栅机械强度较一般光纤布拉格光栅显著下降.本文通过采用单模石英光纤进行实验,对光纤光栅的轴向应力和光纤光栅中石英分子组分的变化进行研究分析.结果表明,经过高温热退火后的热重生光纤光栅与未退火的光纤布拉格光栅相比,纤芯处压应力减少了80 MPa,远离纤芯的包层处拉伸应力由22 MPa逐渐减小;同时,随着热退火气氛中氧含量的增加,退火后生成的热重生光纤光栅SiO_2逐渐增加,占比从52.99%上升至69.92%.虽然SiO_2具有较高的密度,其机械强度大于Si_2O_3,但热退火后的热重生光纤光栅脆性仍增大,故推论:组分变化对热重生光纤光栅脆性增大无明显影响,脆性增大主要原因为高温导致的应力松弛.本文研究为提高热重生光纤光栅的机械性能,解决其脆性问题提供了可靠的理论与实验依据.     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.     

高温退火程式对光纤布拉格光栅热重生性能影响研究

光纤布拉格光栅（FBG）是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件，具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点，但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除，极大地限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些特殊领域的应用。通过高温退火处理有望使FBG在高温擦除后重新生长出能在高温环境下稳定工作的热重生FBG（RFBG）。因此，研究高温退火程式对RFBG性能的影响具有重要意义。基于248 nm准分子激光器，以相位掩模法制作得到反射光谱中心波长为1 548.5 nm、反射率为97.8%、3 dB带宽为0.36 nm的初始FBG，再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理，发现FBG在950 ℃时实现热重生，得到反射光谱中心波长为1 546.7 nm、反射率为50.6%、3 dB带宽为0.19 nm的RFBG；进一步研究发现，在950 ℃实现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响，对RFBG采用急速冷却、缓慢冷却和自然冷却以及氩气气氛下自然冷却4种方式进行退火处理并与初始光栅进行对比，结果发现采用急速冷却方式处理的RFBG机械性能最佳，其保留了初始光栅约 50%的机械强度，优于缓慢冷却、自然冷却处理仅分别保留初始光栅22.2%和29.9%机械强度的RFBG，并发现在氩气中进行退火处理有利于RFBG机械强度的提升，同样是自然冷却，在氩气气氛中退火得到的RFBG保留了初始光栅43%的机械强度。进一步对采用急速冷却方式处理的RFBG进行热循环、热稳定性等测试。结果表明，RFBG在150~1 050 ℃内三次加热循环结果完全重叠，温度灵敏度为16.30 pm·℃-1，温度灵敏度相关系数R2为0.995 38，且在800 ℃温度下进行热稳定性测试7 h，波长总漂移量仅为0.08 nm，表明所制备的RFBG具备良好的测温性能和稳定性。该研究工作为RFBG高温传感器的实用化和工程化应用提供了一定的理论与实验依据。     

一种测定光纤光栅布拉格反射波长位移的简单方法

报道一种简单的光纤光栅对参考法测定光纤光栅布拉格波长的位移的方法，其原理是利用一个布拉格波长可调谐的光纤光栅去跟踪另一个光纤光栅拉格波长的变化，测得的光栅布拉格波长的温度灵敏度为０．００８８ｎｍ／℃，这和用可调谐半导体激光器测得的结果十分接近。     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

光束发散度对紫外写入光纤光栅的影响

用傅里叶衍射光学分析了准分子激光束发散度对于光纤光栅制备的影响，发现光束发散角使光纤光栅的布拉格波长发生改变，相位版后干涉场沿光纤轴向和径向不均匀，对制备30dB高反射率光纤光栅造成困难。实验结果与理论分析基本一致，相对于理想平行光束情况，会聚光束使得光纤光栅布拉格波长出现在短波一边，发射光束使得光纤光栅布拉格波长出现在长波一边。     

多模光纤光栅温度传感特性的实验研究

利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅,并对多模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析,表明这种光栅三个反射峰的布拉格波长随温度变化均呈现出良好的线性关系,并且重复性相当好,同一光栅的各反射峰的理论温度灵敏度系数都等于0．01nm／℃,实验测得的温度灵敏度系数为0．0098nm／℃或0．0099nm／℃,与理论分析相当吻合,这些特性与单模光纤光栅的温度传感特性接近相同。因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅开发光纤光栅传感器,以降低成本;这一实验结果还可以作为对多模光纤光栅进一步深入研究的参考。     

光纤光栅压力传感器中应力迟滞的消除方法

提出了一种利用双光纤光栅消除光纤光栅压力传感器中应力迟滞的方法.将两个相同波长的光纤布拉格光栅分别对称粘贴于悬臂梁的上下表面并串接在一起,外压力作用下可实现调谐双光栅布拉格波长差.研究结果表明,该方法可消除弹性元件材料所引起光纤光栅压力传感器的应力迟滞,改善传感器的线性响应特性和重复性,在0~40 MPa的压力范围内,双峰波长差的调谐范围为5.12 nm,是单峰波长调谐范围的2倍,压力调谐双峰波长差的灵敏度可达0.128 nm/MPa,是压力调谐单峰波长灵敏度的2倍.     

基于相移光纤光栅的布拉格波长解调原理的分析

提出了一种基于相移光纤光栅(phase shifted fiber grating)的布拉格波长解调技术，相移光纤光栅在反射谱阻带中能打开线宽极窄的一个或多个通透窗口，而且窗口位置随所加相移量的大小呈线性变化。实验中应用电流调谐相移量以实现布拉格波长的解调。选用最大波长偏移量为2nm的相移光纤光栅进行调谐滤波，温度的测量范围可达到200℃，应变的测量范围可达到2000μs。实验表明利用相移光纤光栅进行布拉格波长解调，取得了预期的效果，为布拉格波长解调技术提出了新的思路。