光纤光栅折射率传感技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文光纤光栅折射率传感技术研究姓名:丁金妃申请学位级别:博士专业:光学工程指导教师:何赛灵;张阿平20060401浙江大学博士学位论文摘要光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、适应恶劣环境、便于波分复用、易于构成多点传感网络等优点,已经广泛用于民用工程结构、航空航天等领域的应力、应变和温度传感。此外,光纤光栅,尤其是长周期光纤光栅(IJPG)还对外界折射率的变化很敏感。由于折射率传感在生化应用方面的重要性,如环境监测、医学诊断、石油化工等方面,所以基于折射率传感的光纤光栅生化探测技术正处于不断深入的研究之中。在光纤光栅生化传感中,灵敏度以及温度交叉敏感是其中存在的两个主要问题。本文以提高折射率传感的灵敏度和解决折射率传感中的温度交叉敏感问题为目标,分别用光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤光栅(LPG)、以及LPG构成的M—Z干涉仪实现了折射率的传感,主要完成了以下方面的研究工作并取得了若干创新性的成果:首先用耦合模理论和传输矩阵法分析了FBG和凹G的光学特性,然后介绍了光纤的光敏性,归纳比较了光纤光栅的各种制作技术。在课题期间,合作研制了光纤高压载氢系统,并参与搭建了一套光纤光栅制作系统,为整个研究工作提供了良好的实验平台。研究了FBG折射率传感技术。理论分析了光纤包层直径减小时Bragg波长的变化,以及不同包层直径下光纤的导模有效折射率随外界折射率变化的关系;设计了FBG的腐蚀和测量的实验装置,制定了FBG的腐蚀工艺,对不同腐蚀程度的FBG进行了折射率测量的实验,结果表明腐蚀程度深的FBG对外界折射率具有更高的灵敏度。LPG的耦合特性决定了它本身对外界折射率敏感,通过包层腐蚀的方法可进一步提高传感灵敏度。理论分析了光纤包层直径减小对LPG的共振波长以及外界折射率测量灵敏度的影响,并对两组LPG分别进行了不同程度的腐蚀和折射率测量的实验,结果表明腐蚀后的LPG对外界折射率的灵敏度得到了提高,并且首次得出如下结论:随着腐蚀程度加深,在某波长附近耦合的包层模的阶数虽然减小了,但是利用此包层模对外界折射率传感的灵敏度仍然得到了提高。两个~3dB透射率的LPG构成了LPG马赫一泽德干涉仪,这种特殊的祸合机制使得它对外界折射率敏感,而且相比单个LPG具有更精细的干涉条纹,可以提高波长检测的分辨率。,提出了它对外界折射率传感的灵敏度提高的两种方案:1)包层腐蚀的LPG马赫一泽德干涉仪:包层直径的减小使得包层模式的光波场有更多的部分分布在外围介质中,从而能提高对外界折射率的灵敏度,理论分析并实验观察了包层腐蚀时的光谱演变过程,,结果表明虽然随着腐蚀程度的增大,在1550nm附近的干涉峰对应耦合的包层模阶数减小,但是用该干涉峰作为对外界折射率传感的灵敏度仍然得到了很大的提高。2):,通过拉锥处理引入一段双锥光纤,使得包层模在外围介质中的倏逝波增强,从而提高对外界折射率传感的灵敏度。实验结果表明光纤锥可以很有效地提高灵敏度,而且灵敏度大小可以通过控制拉锥程度来定制,其中双锥LPG马赫-泽德干涉仪(锥区长16mm,Ⅳm)。最后,针对光纤光栅折射率传感中的温度交叉敏感问题,提出了一种夹层结构的长周期光纤光栅方案。所谓夹层结构,是指由三个LPG组成,两个一3dB的LPG构成LP0型M—z干涉仪,利用低阶包层模的耦合作为温度参考单元,而在中间夹有一个利用高阶包层模耦合的LpG作为外界折射率测量单元。利用LPG的不同阶数包层模对外界折射率变化响应的灵敏度不同,而对温度变化的灵敏度差异很小的特性,进行折射率腽度的同时测量。这种夹层结构的长周期光纤光栅方案具有结构平衡、制作简单、实用性强等优点。关键词:光纤传感器,光纤光栅,,折射率测量,生化传感,腐蚀,光纤拉锥,灵敏度,,highsensitiVitXimmunjtytoelectfoma辞eticinterference,enVironmentalnlggedIIess,essfullyusedinmanyaspects,suchasdVil'aemspacesy“emsforstructuralhealmen百neefingandsmanst兀lct玎res,singof