【摘要】：長周期光纖光柵(Long-period fiber grating,LPFG)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的傳感器件。本論文提出了兩種基于結(jié)構(gòu)擾動的LPFG復(fù)合結(jié)構(gòu)。一種是與LPFG級聯(lián)的復(fù)合結(jié)構(gòu),由于熔融扭轉(zhuǎn)與熔錐型扭轉(zhuǎn)等微結(jié)構(gòu)具有波分特性,從纖芯中進(jìn)入的能量在受到微結(jié)構(gòu)擾動時(shí),會有一部分能量進(jìn)入到光柵的包層中,從而破壞了原模式間的相速度的簡并特性。其中微結(jié)構(gòu)與LPFG構(gòu)成馬赫澤德干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer,MZI),通過調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)與LPFG的間距來獲得便于測量的透射譜,并以此為基準(zhǔn)對熔融扭轉(zhuǎn)、熔錐型扭轉(zhuǎn)等微結(jié)構(gòu)級聯(lián)LPFG型傳感器的傳感特性進(jìn)行測量。另一種是局部熔融包、扭轉(zhuǎn)、錐等微結(jié)構(gòu)LPFG的復(fù)合結(jié)構(gòu),由熔融光纖包、扭轉(zhuǎn)以及錐等微結(jié)構(gòu)的制備可知,他們會導(dǎo)致纖芯形變,打破了不同模式之間相速度的簡并特性。接下來對上述兩種方法制備出的LPFG復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行制備并測試溫度、應(yīng)變以及彎曲等傳感特性,取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。首先,對于常用于分析光纖光柵的耦合模理論、傳輸矩陣方法以及基于光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)的馬赫澤德干涉理論、相移LPFG原理進(jìn)行簡單的分析與總結(jié),并歸納出LPFG在研究過程中的理論途徑,并且在耦合模理論的基礎(chǔ)之上,對于LPFG的部分傳感特性理論進(jìn)行簡單的討論,包括馬赫澤德干涉原理以及LPFG相移原理。并根據(jù)上述理論提出了兩種基于結(jié)構(gòu)擾動的LPFG復(fù)合結(jié)構(gòu)。其次,針對于LPFG級聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),得到制備出的熔融扭轉(zhuǎn)級聯(lián)LPFG復(fù)合結(jié)構(gòu)具備扭轉(zhuǎn)的方向相關(guān)性,順時(shí)針扭曲結(jié)構(gòu)時(shí),透射譜中兩個諧振峰的波長均向長波方向移動,靈敏度分別為0.058 nm/(rad?m~(-1))和0.117 nm/(rad?m~(-1));逆時(shí)針扭曲結(jié)構(gòu)時(shí),兩個諧振峰的波長向短波方向移動,靈敏度分別為0.055 nm/(rad?m~(-1))和0.262 nm/(rad?m~(-1))。將所測得的扭轉(zhuǎn)和溫度靈敏度代入到溫度、扭轉(zhuǎn)同時(shí)測量的矩陣中得到:得到順時(shí)針扭轉(zhuǎn)時(shí),扭轉(zhuǎn)和溫度的分辨率分別為0.04 rad/m和0.49°C;逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)時(shí),扭轉(zhuǎn)和溫度的分辨率分別為0.01 rad/m和0.43°C,驗(yàn)證了提出的結(jié)構(gòu)在溫度與扭轉(zhuǎn)分辨率上表現(xiàn)良好。在不同溫度情況下,兩個諧振峰順時(shí)針扭轉(zhuǎn)波長平均靈敏度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0027nm/(rad?m~(-1))和0.0049nm/(rad?m~(-1));兩個諧振峰逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)的波長平均靈敏度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0013nm/(rad?m~(-1))和0.0222nm/(rad?m~(-1))。此外,對于另一種級聯(lián)LPFG結(jié)構(gòu):熔錐型扭轉(zhuǎn)級聯(lián)LPFG結(jié)構(gòu),分別測試了其溫度和應(yīng)變特性,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的雙峰的溫度靈敏度較為相似;而在施加應(yīng)變時(shí),兩個諧振峰的波長靈敏度和他們的幅值靈敏度差別較大,故可證得該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行雙參數(shù)測量。最后,提出了三種基于相移原理的局部微結(jié)構(gòu)的LPFG復(fù)合結(jié)構(gòu),所用到的局部微結(jié)構(gòu)分別為熔融包、扭轉(zhuǎn)和錐。并對三種復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫度、彎曲和應(yīng)變特性進(jìn)行相應(yīng)的測量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,三種結(jié)構(gòu)均可以對原LPFG的包層擾動,使透射譜分裂為雙峰。且這三種結(jié)構(gòu)的溫度特性較為相似,透射譜中的雙峰均隨著溫度的增大向長波方向發(fā)生漂移,且線性度較好。說明局部微結(jié)構(gòu)并未對LPFG的溫度特性產(chǎn)生較大的干擾。但這三種結(jié)構(gòu)的彎曲和應(yīng)變特性中,一個峰則與未引入微結(jié)構(gòu)前的LPFG特性有較大提高,說明局部應(yīng)用微結(jié)構(gòu)對曲向和拉伸度產(chǎn)生影響。由于彎曲和應(yīng)變特性差別較大,但溫度靈敏度差距較小,可對這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)測量。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN253;TP212
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 LPFG 的溫度、彎曲、應(yīng)變、扭曲等傳感特性了驗(yàn)證與分析[17-1819]，對這種方法刻寫的 LPFG 在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了具 CO2激光器刻寫的 LPFG 迅速涌入研究者們的視野并在實(shí)踐制備方法Vengsaikar 首次提出幅值掩模板制備 LPFG[2]，使用紫外光透過要先進(jìn)行摻雜而且制備時(shí)需要載氫，方法成本較高制備過程復(fù)法制備 LPFG 原理圖[2]。

2圖 1.2 CO2激光寫入法裝置原理圖 D. D. Davis 等人第一次提出應(yīng)用 CO2激光脈沖刻寫 LPFG寫 LPFG 已成為現(xiàn)如今 LPFG 較為常見的制備方法，饒?jiān)泼柰哥R來替代移動光纖的辦法提高了效率，2003 年，王義平 CO2激光脈沖法刻寫單側(cè) LPFG 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及刻寫 LPF這種方法制備出的 LPFG 的形成原理，分別從殘余應(yīng)力的釋熱擴(kuò)散以及熔融后形變這四個方面入手，為高頻 CO2刻寫

裝置原理圖[20]。，韓國的 In Kag Hwang 等人[21]提出了一種使用電弧放電制備 LP使光纖發(fā)生微彎，操作簡單、易于操控，光柵周期由光纖槽的周期放電電流的強(qiáng)弱和被放電部分的大小來調(diào)節(jié)透射譜的特性，這種方掩膜版法制備 LPFG 相似，但應(yīng)用這種方法不需要對光纖進(jìn)行摻接應(yīng)用于普通光纖。同樣的，電弧放電法[22]也是采用對光纖加工制構(gòu)，從而使折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制。如圖 1.3 所示為電弧放電法光纖放置于位移平臺上兩端固定，當(dāng)通過電弧放電區(qū)域時(shí)，光纖會形變，同時(shí)由于放電產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致光纖中的雜質(zhì)發(fā)生熱擴(kuò)散，纖的包層與纖芯的折射率均發(fā)生變化。通過調(diào)節(jié)電動位移平臺的移弧的參量等方式，均可控制該方法制備的 LPFG 的參量從而改變透過程可知，這種方法電弧放電時(shí)可達(dá)到 1200 攝氏度的高溫[22]，因此溫度發(fā)生變化時(shí)，特性依然保持穩(wěn)定，使透射譜在高溫狀態(tài)下也可

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本文編號：2762560