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高频CO_2激光脉冲写入掺硼长周期光纤光栅的特性研究

作　者: 刘兴晨
导　师: 饶云江
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 掺硼光纤长周期光纤光栅 CO2激光耦合膜理论特性研究
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

长周期光纤光栅（LPFG）是近几年发展起来的一种新型光纤无源器件,在光纤通信和光纤传感领域中具有越来越广泛的应用。导师饶云江教授首次发明了高频CO₂激光脉冲写入长周期光纤光栅的方法。数年来,本人所在课题组对长周期光纤光栅的制作方法、成栅机理、理论研究、基本特性以及实际应用等诸多方面进行了深入系统的研究。本文所采用的高频CO₂激光写入法是由计算机控制,其写入方法相对比较灵活的。该写入方法的优点主要有单个脉冲加热时间短、脉冲能量集中、加热效率高等,从而可以高效高质并且低成本地制作长周期光纤光栅。高频CO₂激光脉冲在普通单模光纤中写入长周期光纤光栅时,由于CO₂激光是单侧加热光纤并且需要激光能量较大,从而导致包层吸收不均匀引起光栅横截面折射率分布不均匀。而对于B-Ge单模光纤来说,纤芯重掺杂降低了玻璃的粘性,从而使其具有更低的临界温度。因而当用较低的温度加热光纤时,就可以引起掺硼光纤玻璃结构的变化,从而导致纤芯折射率发生变化。由于所需的激光能量很低因而基本不会改变包层的折射率,所以在B-Ge光纤上制作出的光栅其横截面折射率变化分布均匀,因此在B-Ge光纤上制作出的长周期光纤光栅的特性也与高频CO₂激光脉冲在普通单模光纤上写入的长周期光纤光栅特性有所不同。本文在对高频CO₂激光脉冲在普通单模光纤上写入长周期光纤光栅特性研究的基础上,深入研究了高频CO₂激光脉冲在掺硼光纤上写入长周期光纤光栅的各项特性。主要工作和成果如下:1、详细介绍了长周期光纤光栅的各种制作方法,并着重介绍了高频CO₂激光脉冲写入长周期光纤光栅的方法。系统分析了CO₂激光写入的长周期光纤光栅的形成机理,主要归结为残余应力释放、密度变化、掺杂剂热扩散和玻璃结构变化四个方面。详细阐述了长周期光纤光栅的耦合模理论。2、研究了高频CO₂激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅的温度和轴向应变特性。谐振波长随温度和轴向应变线性变化,B-LPFG的温度灵敏度大大高于普通LPFG而应变灵敏度低于普通LPFG,透射峰幅值随轴向应变线性减小但对温度不敏感。3、研究了高频CO₂激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅的弯曲特性。研究发现B-LPFG弯曲特性的方向相关性极弱,在损耗峰（1557nm处）幅值逐渐减小的同时,其短波方向即1540nm处出现了一个新的损耗峰,峰值逐渐增大,谐振波长向短波移动。4、研究了高频CO₂激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅的扭曲特性。随着扭曲度绝对值的增大光栅的谐振峰幅值线性减小,波长则随扭曲度的增大向短波方向线性漂移。研究过程中发现,B-LPFG扭曲特性不存在方向性。5、研究了高频CO₂激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅谐振波长的横向负载特性。同弯曲特性一样,其谐振波长的横向负载特性没有明显的负载方向相关性。损耗峰幅值随横向负载线性减小但其灵敏度的方向相关性较弱。6、研究了高频CO₂激光脉冲在掺硼光纤上写入的长周期光纤光栅折射率特性。在1.33¹.45折射率变化范围内,谐振波长随着折射率的增大线性减小,损耗峰幅值逐渐减小。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-22
  1.1 光纤光栅的发展  11-12
  1.2 光纤光栅的分类  12-17
    1.2.1 按周期大小分类  12-13
    1.2.2 按轴向折射率分布分类  13-16
    1.2.3 按形成机理分类  16-17
  1.3 长周期光纤光栅的应用  17-20
    1.3.1 长周期光纤光栅在通信领域的应用  17-18
    1.3.2 长周期光纤光栅在传感领域的应用  18-20
  1.4 本论文研究的主要内容及结构安排  20-22
第二章高频CO_2激光脉冲写入法及其形成机理  22-35
  2.1 长周期光纤光栅写入法的比较  22-27
    2.1.1 紫外光写入法  22-24
    2.1.2 腐蚀刻槽法  24
    2.1.3 离子束入射法  24-25
    2.1.4 机械微弯变形法  25-26
    2.1.5 局部加热写入法  26-27
  2.2 高频CO_2激光脉冲写入法  27-30
    2.2.1 高频CO_2 激光脉冲写入法介绍  27-28
    2.2.2 长周期光纤光栅横截面折射率分布和双折射  28-30
  2.3 CO_2激光写入法的形成机理  30-33
    2.3.1 玻璃密度变化  30-31
    2.3.2 残余应力释放  31-32
    2.3.3 掺杂剂热扩散  32-33
    2.3.4 B-Ge 光纤写入机理  33
  2.4 本章小结  33-35
第三章掺硼长周期光纤光栅的特性研究  35-58
  3.1 长周期光纤光栅理论分析  35-38
    3.1.1 耦合模理论  35-36
    3.1.2 长周期光纤光栅的耦合模方程概述  36-37
    3.1.3 长周期光纤光栅的谐振波长  37-38
  3.2 B-LPFG 温度特性研究  38-42
    3.2.1 温度特性实验及结果  38-40
    3.2.2 温度特性的理论分析  40-41
    3.2.3 与普通长周期光纤光栅温度特性的对比  41-42
  3.3 B-LPFG 轴向应力特性研究  42-44
    3.3.1 轴向应力特性实验及结果  42-43
    3.3.2 轴向应力特性的理论分析  43-44
  3.4 B-LPFG 弯曲特性研究  44-49
    3.4.1 弯曲特性实验及结果  44-47
    3.4.2 弯曲特性的理论分析  47-49
  3.5 B-LPFG 扭曲特性研究  49-51
    3.5.1 扭曲特性实验及结果  49-50
    3.5.2 扭曲特性的理论分析  50-51
  3.6 B-LPFG 横向负载特性研究  51-54
    3.6.1 横向负载特性实验及结果  51-53
    3.6.2 横向负载特性的理论分析  53-54
  3.7 B-LPFG 折射率特性研究  54-56
    3.7.1 折射率特性实验及结果  54-56
    3.7.2 折射率特性的理论分析  56
  3.8 本章小结  56-58
第四章全文总结  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-66
攻读硕士学位期间的研究成果  66-67

高频CO_2激光脉冲写入掺硼长周期光纤光栅的特性研究

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