新型局部微結構光纖光柵的理論與套用研究

《新型局部微結構光纖光柵的理論與套用研究》是依託天津理工大學，由曹曄擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型局部微結構光纖光柵的理論與套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：曹曄
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

光纖光柵自問世以來，以其無可比擬的優勢迅速在光纖感測及相關領域得到了重要套用。近年來，隨著需求的增多，傾斜光纖光柵、光子晶體光纖光柵等各種新型光柵不斷湧現，成為新的研究熱點。本課題提出的新型局部微結構光纖光柵，是通過化學刻蝕或飛秒雷射器刻寫的方法在普通光纖布拉格光柵的柵區包層上製作不同物理缺陷，從而在光柵的反射譜中打開一個或多個帶隙。這種光柵的重要優勢在於它不需藉助額外的封裝技術就可以實現雙參量的同時測量，並進而可以實現多參量（3參量）的同時測量。基於其獨特的優勢，微結構光纖光柵在生物光纖感測器、微流體感測器中有重要套用。本課題擬製作2種微結構光纖光柵，並對這2種光柵進行理論分析和模擬仿真，建立適用於微結構光纖光柵的理論分析模型，研究缺陷位置、長度、深度、形狀等參數對光柵反射譜的影響。在此基礎上，對其進行感測實驗研究，用單光柵實現對液體溫度和濃度的同時測量，並進而研究3參量同時測量的方法。

結題摘要

局部微結構光纖光柵是對光柵柵區的包層進行局部刻蝕得到的。本課題分別對光纖布拉格光柵（FBG）和長周期光纖光柵（LPG）的柵區包層進行局部刻蝕，形成局部微結構光纖布拉格光柵（LMSFBG）和局部微結構長周期光纖光柵（LMSLPG），從理論和實驗上對這種特種光柵進行了研究，具體內容如下： 1．研究了局部微結構光纖光柵的理論分析方法。局部刻蝕的結果就是在光柵的缺陷處引入了一個相移，在光譜上體現在光柵的透射峰中打開了一個透射視窗，從而形成了兩個透射峰和一個透射視窗的光譜結構。以典型的單個環形缺陷、左右對稱的局部微結構光纖光柵為例，仿真研究了各個缺陷參數（如刻蝕長度、刻蝕深度）對光柵光譜的影響，也研究了缺陷的位置和缺陷的數目對光柵光譜的影響。考慮到實際製作過程中的非理想因素，對幾種缺陷形狀進行了仿真研究。 2．研究了局部微結構光纖光柵的製作方法。嘗試了兩種製作方法：第一種是化學腐蝕的方法，採用稀釋的HF酸局部腐蝕柵區包層，成功製成了局部微結構光纖光柵；第二種是飛秒雷射刻蝕的方法，由於飛秒雷射刻蝕的長度較小，只有幾個微米，所以未能在光柵的透射峰中打開透射視窗。可見，雖然飛秒雷射刻蝕法可以精確的控制缺陷的位置、寬度、深度，製作具有一定的可重複性，但由於其刻蝕的長度有限，不能產生預期的光譜結構。 3．研究了局部微結構光纖光柵的感測特性。首先製作了單個環形缺陷、左右對稱結構的LMSFBG和LMSLPG，其光譜與理論分析結果基本一致。分別對上述兩種光柵進行了溫度、折射率的感測特性實驗。實驗結果顯示，兩種光柵表現出了類似的感測特性，即兩個透射峰對溫度（或折射率）的靈敏度基本一致，而透射視窗則具有不同的溫度（或折射率）靈敏度。由於LPG對彎曲敏感，所以還對LMSLPG進行了彎曲曲率的感測實驗，實驗結果顯示兩個透射峰的靈敏度基本一致，與透射視窗的靈敏度不同。根據以上實驗結果，結合敏感矩陣，用單根局部微結構光纖光柵實現了溫度和折射率、溫度和彎曲曲率的同時測量。