长周期光纤光栅传感器研究
分类号：_ 密 级：_ ：_ 单位代码：_ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目：长周期光纤光栅传感器的研究 学 号：_ 姓 名：_ 专 业 名 称：_ 学 院：_ 指 导 教 师：_ _ _ 论文提交日期：2015 年 04 月 13 日 何如双 公开 1 1 6 4 61211071053 TN253 光学 理学院陶卫东 A Thesis Submitted to Ningbo University for the Masters Degree Long period fiber grating sensor research Candidate： Ru-shuang He Supervisors： Professor Weidong Tao Faculty of Science Ningbo University Ningbo 315211， Zhejiang P.R.CHINA April 13, 2015 I 独独 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明： 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得宁波大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 签名：_ 日期：_ 关于论文使用授权的声明关于论文使用授权的声明 本人完全了解宁波大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 宁波大学硕士学位论文 I 长周期光纤光栅传感器的研究 摘 要 本文中全方位综述了各类光纤光栅的结构特性、传感原理以及制作方法。同时，基于三层介质的单模光纤波动理论及耦合理论，分别对布拉格光纤光栅的反射谱及长周期光纤光栅的透射谱进行了数值仿真。并且，分别采用相位掩模技术和振幅掩模技术制作出了性能优良且稳定的光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。同时，基于布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅对外界应力、温度、折射率等敏感的特性，利用化学腐蚀，物理形变，加热等方式，设计了一系列的光纤光栅传感器及传感装置，并经多次实验测试，取得了较为理想的结果。 首先，实验中自行设计了一种能在光纤端面镀膜的载具及方法。利用此镀膜载具，可以同时将数百根端面平整的裸光纤放入磁控溅射镀膜机内并在其端面镀上一层厚度30nm300nm的金属反射膜。 将端面已经镀了反射膜的尾纤焊接在长周期光纤光栅尾端，构成一个完整的长周期光纤光栅 Michelson 干涉仪。同时，根据相位差原理，分析了长周期光纤光栅 Michelson 干涉仪波峰随外界环境的变化规律。然后，利用三层溶液腐蚀的办法，将长周期光纤光栅 Michelson 干涉仪的干涉臂局部腐蚀，得出随光纤外径的减少长周期光纤光栅 Michelson 干涉仪对外界环境折射率的灵敏度有显著的提高的结论。其次，设计了一系列实时监测流水折射率与温度的装置及方法，经反复测试，表明该装置具有较高的稳定性和精确度。最后，利用长周期光纤光栅较高的温度、折射率灵敏度和光纤布拉格光栅较高的反射效率，设计了一种基于光纤布拉格光栅滤波的级联长周期光纤光栅的温度及折射率传感方法。利用光纤布拉格光栅将级联长周期光纤光栅干涉波峰的局部功率反射到功率计来而实现温度和折射率的传感测量，结果表明基于光纤布拉格光栅滤波的级联长周期光纤光栅的温度及折射率传感方法可用于温度和折射率的精确测量。 关键词： 光纤光栅， 干涉仪， 传感， 滤波 长周期光纤光栅传感的研究 II Long period fiber grating sensor research Abstract In this paper, we summarized the classification of fiber grating and all kinds of production methods and sensing principle. At the same time, based on three layer medium wave theory and the coupled-mode theory of single-mode fibers, respectively for reflection spectrum of fiber Bragg grating and transmission spectrum of long period fiber grating numerical simulation. And, we set up a stable fiber Bragg grating and long period fiber grating systems by independent design that adopted the technique of phase (amplitude) mask preparation of. Using this system, we can make a good performance of fiber Bragg grating and long period of time. At the same time, based on fiber Bragg gratings and long period fiber grating is sensitive to stress, temperature and refractive index of the characteristics, we using same ways designed a series of fiber Bragg grating sensor and sensing experiment, for example chemical corrosion, physical deformation, heating. Through experiment, the designs have been achieved some good results. First, to the preparation of LPFG-Michelson interferometer, we designed a carrier of optical fiber end face coating. Using this carrier, we can coat 30 nm to 300 nm metal reflective film on the hundreds of fiber end surface at the same time in magnetron sputtering coating machine. Splicing the fiber to a long period fiber grating can make up a complete LPFG-Michelson interferometer. At the same time, according to the principle of phase difference, this paper analyzes the LPFG Michelson interferometer wave varies with the changing of the refractive index. Then, we etched the local Michelson interferometer arms by using the corrosion, conclude with that reduce cladding diameter can improve the sensitive of refractive index significantly. Secondly, we designed a series of real-time monitoring water temperature and refractive index device and method. After repeated testing, the results show that these devices have high stability and accuracy. Finally, we use of the high temperature and refractive index sensitivity of long period fiber grating and the high reflection efficiency of fiber Bragg grating, designed a cascade of long period fiber grating temperature and refractive index sensing device and method based on fiber Bragg grating filter. Using fiber Bragg grating reflect local power of long period fiber grating interference wave to the power meter and realizes the temperature and refractive index sensing measurement. The results show that the cascaded long-period fiber grating temperature and refractive index sensing device and method based on fiber Bragg grating filter can be used for the precise measurement of the temperature and refractive index. Key words: Fiber Bragg grating, Interferometer, Sensing, Filtering 宁波大学硕士学位论文 I 目录 引 言 1 1 绪论 . 3 1.1 光纤光栅概述 . 3 1.2 光纤光栅的分类 . 3 1.2.1 均匀光纤光栅 . 4 1.2.2 啁啾光纤光栅 . 4 1.2.3 倾斜光纤光栅 . 5 1.2.4 切趾光纤光栅 . 5 1.2.5 其它种类的光纤光栅 . 6 1.3 光纤光栅的制备 . 6 1.4 本论文的主要研究思路及内容 . 9 1.4.1 主要研究思
