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1、带通长周期光纤光栅的高温特性实验与优化重 庆 大 学 硕 士 学 位 论 文（学术学位）学生姓名：侯宇松指导教师：饶云江 教 授副 导 师 ： 朱 涛 教 授专 业 ： 光 学 工 程学科门类：工 学重 庆 大 学 光 电 工 程 学 院二 O 一 三 年 五 月High-temperature properties andOptimization of the Bandpass Long-periodFiber GratingsA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement
2、 for theMasters Degree of EngineeringByYusong HouSupervised by Prof. Yunjiang RaoProf. Tao ZhuSpecialty： Optical EngineeringCollege of Opto-Electronic Engineering of Chongqing UniversityChongqing, ChinaMay 2013重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要本文主要研究三种带通长周期光纤光栅（L PFG）的高温特性，包括偏置式带通 LPFG、 透 射 式 带 通 LPFG 和反射式带通 LPFG，并
3、针对其普遍存在的缺点进行了 优 化 。 论 文 首 先 根 据 长 周 期 光 纤 光 栅 的 耦 合 理 论 设 计 制 作 了 三 种 带 通 LPFG， 随后对三种带通 LPFG 的高温特性进行了分析。最后论文根据带通 LPFG 分 辨 率 低 、解 调 复 杂 、 不 利 于 长 距 离 测 量 等 缺 点 ， 利 用 光 栅 自 身 优 化 与 环 形 激 光 器 相 结 合 ，对其线宽进行了压缩，实验结果能与 FBG 兼容。论文的主要内容包括：1将两个谐振波长匹配的 LPFG 进行偏置熔接，制作成偏置式带通 LPFG。该 带 通 LPFG 的传光效率取决于两段光纤包层的重合面积，对
4、于均匀 LPFG 而 言 ，偏 置 熔 接 会 导 致 偶 和 效 率 很 低 ， 而 实 验 室 利 用 CO2 激 光 器 制 作 的 LPFG 具 有 非 对称 性 ， 包 层 模 能 量 分 布 不 均 ， 将 能 量 相 对 集 中 部 分 进 行 熔 接 ， 可 提 高 耦 合 效 率 。将 其 作 为 传 感 器 进 行 了 高 温 特 性 实 验 ， 结 果 表 明 ， 其 灵 敏 度 能 够 达 到 0.091 nm/ 。2 利 用 一 段 纤 芯 不 导 光 而 包 层 导 光 的 特 种 空 芯 光 纤 ， 将 两 个 谐 振 波 长 匹 配 的LPFG 连接起来，制作出
5、了透射式带通 LPFG。 空 芯 光 纤 的 纤 芯 内 径 为 13m 的 空气 孔 ， 外 径 与 单 模 光 纤 一 致 ， 由 于 空 气 的 折 射 率 小 于 包 层 ， 不 满 足 全 反 射 条 件 ，空 芯 孔 中 的 基 模 光 会 随 着 传 输 距 离 的 增 加 而 逐 渐 消 逝 ， 被 光 栅 耦 合 到 包 层 中 的 光能 够 继 续 传 输 ， 遇 到 另 一 个 匹 配 光 栅 后 耦 合 回 纤 芯 ， 从 而 实 现 带 通 功 能 。 我 们 对其高温特性进行了研究，其灵敏度与单个 LPFG 类 似 ， 可 以 实 现 高 温 的 监 测 。3 在
6、长 周 期 光 纤 光 栅 的 尾 端 熔 接 一 段 空 芯 光 纤 ， 熔 接 端 面 用 特 殊 的 熔 接 方 式进 行 处 理 ， 并 将 空 芯 光 纤 的 尾 端 切 平 ， 实 现 反 射 式 带 通 特 性 。 其 中 消 除 纤 芯 基 模在 熔 接 面 处 的 反 射 是 关 键 ， 在 优 化 熔 接 方 法 后 ， 反 射 回 来 的 包 层 模 能 量 就 不 会 被其 他 噪 声 淹 没 。 我 们 对 其 进 行 了 高 温 特 性 实 验 ， 由 于 受 到 实 验 仪 器 的 限 制 ， 实 验室的条件只能测到 600 。 从 实 验 结 果 可 以 看 出
7、 ， 其 灵 敏 度 为 0.095nm/。4. 针对带通长周期光纤光栅存在的谱线太宽、解调复杂、不利于长距离测量等 问 题 ， 提 出 了 优 化 方 法 ： 一 方 面 增 加 长 周 期 光 纤 光 栅 的 周 期 数 ， 另 一 方 面 将 带通 长 周 期 光 纤 光 栅 与 环 形 激 光 器 相 结 合 ， 得 到 了 类 似 FBG 反 射 谱 线 的 窄 带 宽 长 周期 光 纤 光 栅 信 号 ， 并 可 利 用 现 有 的 FBG 解调技术解调该信号。这样不仅解决了长周 期 光 纤 光 栅 谱 线 较 宽 的 问 题 ， 同 时 为 信 号 的 解 调 提 供 了 解 决
8、 办 法 ， 对 于 反 射 式带通长周期光纤光栅，此方法还能解决长距离测量的问题。关键词：光 纤 传 感 ， 带 通 长 周 期 光 栅 ， 光 纤 环 形 激 光 器 ， 高 温 ， 带 通 滤 波 器I重庆大学硕士学位论文 英文摘要ABSTRACTThe high temperature characteristics of three kinds of long-period fiber gratings(LPFGs) are studied in this thesis, including lateral offset induced band pass LPFG,transmis
9、sion LPFG and reflective band pass LPFG. And the disadvantages of thecommon high temperature sensors are also discussed and overcomed in this paper. Themode coupling theory of LPFG is firstly analyzed in this thesis, followed by thefabrication of three kinds of LPFGs with band pass characteristics a
10、nd the analysis ofthe high temperature characteristics. A solution for further improving the band passLPFGs by incorporating fiber ring laser is finally proposed in this thesis, which isemployed to narrow the line width of the sensor and enables the sensor demodulated bythe methods that applied to t
11、he FBG. The main contents of this thesis are as followings:1. A band pass LPFG is fabricated by fusion-splicing two LPFGs with sameresonant wavelength by setting a lateral offset. The transmission ratio is determined bythe overlap area of the two fiber claddings. Compared with the symmetric LPFG,asy
12、mmetric LPFGs written by CO2 laser have higher transmission ratio in this way sincethe cladding mode distribution in the cross section of the fiber is asymmetric. Then ahigh temperature experiment of such a band pass LPFG is conducted and theexperimental results show that the temperature sensitivity
13、 is 0.091 nm/ within100 -900 , which is comparable with a common LPFG based temperature sensor.2. The second band pass LPFG is fabricated by fusion splicing two LPFGs withsame resonant wavelength with a piece of the hollow core fiber (HCF) amid them. Theguidance mechanism of the HCF is that the core
14、 has no guidance while the claddingcould guide the light propagating along the fiber. The diameter of the hollow core is13m and the diameter of the cladding is the same with the single-mode fiber, i.e.,125m. The light in the core decreases even disappears with the increment of the lengthof the HCF s
15、ince the HCF core cannot guide the light. The cladding mode coupled bythe LPFG propagates along the fiber with the guidance of the cladding and then iscoupled back to the core by the other LPFG, resulting in pass band. Such a band pass isalso put into a oven to take high temperature experiment and t
16、he results show that thesensitivity is comparable to that of a single LPFG.3. The reflective band pass LPFG is fabricated by fusion splicing a piece of HCFinto the LPFG end by a special process and then the HCF is cut using a cleaver. The keyII重庆大学硕士学位论文 英文摘要point is to eliminate the reflection of the core mode at the fusion point. Limited by theinstrument, the highest temperature measured by such a reflective band pass LPFG is600 and the sensi
