本文關(guān)鍵詞：新型光纖光柵傳感器飛秒激光制備及其特性研究

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【摘要】：通過激光加工等手段使光纖纖芯的折射率在軸向發(fā)生周期性的改變,這樣形成的結(jié)構(gòu)叫做光纖光柵。光纖光柵作為一種新型無源光學(xué)器件,可制備成各種傳感器件,廣泛應(yīng)用于苛刻環(huán)境傳感、建筑構(gòu)造、化學(xué)檢測、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。光纖光柵有很多種類,其中最主要包括有光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)和長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating,LPFG)。其中FBG與LPFG的主要區(qū)別在于周期的不同,FBG的周期比較小,一般小于一微米,而LPFG的周期比較大,一般為幾十到幾百微米。FBG中的光波能量傳輸?shù)哪Ｊ绞钦騻鬏數(shù)睦w芯模與反向傳輸?shù)睦w芯模相耦合,在光譜中可以觀察反射凸起和透射凹下的布拉格諧振峰,在傳感領(lǐng)域中經(jīng)常用于對溫度,應(yīng)變等物理量的測量。而在LPFG中則是正向傳輸?shù)睦w芯模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽?光波在外界環(huán)境中發(fā)生能量的損耗,在光譜中可以看到一系列損耗型透射諧振峰。相對于FBG,LPFG不僅能測量溫度和應(yīng)變,還對外界折射率非常敏感,因此是一種很常用的折射率傳感器。目前制備FBG和LPFG的方法主要有紫外(UV)激光技術(shù)制備和飛秒激光微納精細加工技術(shù)制備。利用紫外激光制備光纖光柵技術(shù)已經(jīng)非常成熟,能制備出性能和光譜良好的FBG和LPFG,但是紫外激光技術(shù)制備方法存在一些弊端。制備光纖光柵前不但要對光纖進行增加光敏處理,而且這樣制備出來的光纖光柵溫度穩(wěn)定性很差,在高于400℃的環(huán)境下光柵結(jié)構(gòu)很容易被擦除。因此利用UV激光技術(shù)制備的FBG和LPFG不能正常應(yīng)用于高溫環(huán)境中。飛秒激光有著超短脈沖寬度和高功率峰值(最高可達1023W/cm2),廣泛應(yīng)用于透明介質(zhì)材料的三維精細加工。近年來,利用飛秒激光制備FBG與LPG技術(shù)飛速發(fā)展,相比UV激光技術(shù),優(yōu)點在于制備光柵前并不需要對光纖進行額外的光敏處理,可以直接對光纖纖芯的折射率進行局域化調(diào)制,從而形成光纖光柵結(jié)構(gòu)。而且所制備的光纖光柵溫度穩(wěn)定性極好,可以在高溫苛刻的環(huán)境下正常使用。鑒于此,本論文提出兩種利用飛秒激光直寫技術(shù)制備的新型光柵結(jié)構(gòu),即FBG與LPFG并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)和微孔布拉格光柵,并且對這兩種結(jié)構(gòu)的制備過程,工作原理和傳感特性和應(yīng)用進行了深入的研究。本論文的主要內(nèi)容如下:1.研究利用飛秒激光刻寫光纖光柵的機理以及FBG與LPFG的基本原理。透明材料如二氧化硅能對入射的飛秒激光產(chǎn)生強烈非線性的吸收。為了產(chǎn)生光學(xué)擊穿和對材料造成損傷,必須通過非線性吸收使電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶,從而在材料中沉積足夠多的激光能量,而在此非線性吸收中存在兩種非線性激發(fā)機制:光致電離和雪崩電離。如果非線性吸收使材料沉積足夠多的能量就會對材料產(chǎn)生缺陷與損傷,從而可以對材料進行永久的折射率調(diào)制,若該調(diào)制是周期性則就形成光柵結(jié)構(gòu)。接著也對FBG和LPFG做了簡單的理論分析,掌握了FBG和LPFG的基本原理。2.利用飛秒激光加工技術(shù)制備出FBG與LPFG并聯(lián)的新型集成傳感器。制備FBG方法是飛秒激光逐點寫入法,而制備LPFG則是采用激光掃描直寫法。FBG是刻寫在光纖纖芯中央,周期為1.07μm,長度為2.4 mm,其布拉格諧振峰波長位置為1550nm,屬于二階布拉格諧振峰。LPFG則刻寫在并聯(lián)FBG偏心1.8μm的位置,周期為60μm,長度也為2.4 mm。接著對此集成傳感器進行溫度和折射率的測試,其中FBG的溫度靈敏度為12.98 pm/℃,LPFG則為10.93pm/℃,而FBG的折射率靈敏度大約為0 nm/RIU,LPFG中1555 nm附近的損耗峰的折射率靈敏度為196.46 nm/RIU。由于FBG與LPFG對溫度的靈敏度和折射率的靈敏度都不一樣,則可以根據(jù)雙參數(shù)傳感的矩陣來進行溫度和折射率同時傳感。3.提出了一種基于微通道的新型光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)。采用飛秒激光掃描直寫技術(shù)對光纖進行折射率改性與HF溶液選擇性腐蝕的方法,得到微通道FBG。制備步驟:第一是利用飛秒激光在經(jīng)過光纖纖芯的橫截面垂直于光纖方向進行直線的折射率調(diào)制,形成周期性折射率調(diào)制區(qū)域,此時在反射譜中可以觀察到反射率不是很高的FBG諧振峰。第二步就是把飛秒激光作用過的光纖置于4%的HF溶液中進行腐蝕。在HF溶液中被飛秒激光作用過的地方的腐蝕速度遠遠大于其他地方。隨著腐蝕進行,反射譜會逐漸變化,因此可以通過控制腐蝕時間和觀察反射譜來控制微通道FBG的制備。最后對制備好的微通道FBG進行了折射率測試,發(fā)現(xiàn)對折射率有很高的靈敏度。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：1145463