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基于光折变体光栅的FBG波长解调技术研究

作　者: 李继锋
导　师: 赵建林
学　校: 西北工业大学
专　业: 光学
关键词: 光纤布拉格光栅传感器光折变体光栅偏振相关衍射效率折射率调制度
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文在研究光折变体光栅特性的基础上,提出了一种新型的光纤布拉格光栅传感器解调方法,即利用光折变体光栅的波长选择特性,将光折变体光栅作为一种滤波元件,对光纤光栅反射的布拉格波长信号进行线性滤波,达到波长解调的目的。相对于现有的解调技术,该解调方案具有很多优点:可以根据实际测量范围和测量精度制作不同滤波特性的体光栅,具有很好的灵活性;体光栅可以擦除,可重复使用;在一块光折变晶体中,写入多重体光栅就可以实现多个光纤布拉格光栅的波长解调等优点。围绕该种光纤布拉格光栅传感器解调方法,本文的主要内容如下:(1) 对单模光纤中的各种光纤光栅,包括均匀光纤光栅、长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅的光谱特性进行了数值模拟,研究了光纤光栅光谱与光纤长度和折射率调制度的关系,并分析和模拟了光纤布拉格光栅对温度和应变的传感特性。(2) 在Kogelnik耦合波理论的基础上,对光折变体光栅的波长和角度选择特性以及两者间的关系进行了理论分析。进而利用全息干涉法在LiNbO3:Fe晶体中写入了光折变体光栅,并在不同晶体厚度和不同记录夹角条件下,给出了其角度选择性的实验结果。(3) 提出了一种测量光折变体光栅折射率调制度和有效厚度的新方法。以Kogelnik的体相位光栅耦合波理论为基础,通过测量光折变体光栅的衍射效率与布拉格偏移角的关系曲线,并根据该曲线的3dB带宽和旁瓣峰值的相对大小及其角度偏移量,可计算出光折变体光栅的折射率调制度和有效厚度。对LiNbO3:Fe晶体的实验测量结果很好地验证了该方法的可行性。(4) 根据单轴晶体的折射率椭球,从理论上分析了光折变体光栅的衍射效率与读出光偏振态的关系。发现当读出光的偏振态变化时,折射光线的方向和相应的折射率调制度都会改变,导致体光栅衍射效率急剧变化。这种衍射效率偏振相关效应对于体光栅的分波方面的应用是非常不利的。为此提出了一种抑制该效应的方法,用LiNbO3:Fe晶体所做的实验研究结果表明,该方法可以很好地减小光折变体光栅衍射效率的偏振相关性,并且不会改变体光栅的衍射特性。同时,实验测量结果与利用折射率调制度的偏振相关性计算得到的衍射峰值的相对大小吻合得很好,从而验证了理论推导结果。(5) 利用“两波法”,对光折变体光栅在近红外区内的角度和波长相关性进行了实验研究。进而利用光纤布拉格光栅作为传感元件,光折变体光栅作为波长解调元件进行了温度传感实验,从实验上验证了该解调技术的可行性。

全文目录

中文摘要  2-3
英文摘要  3-8
第1章绪论  8-14
  1.1光纤传感器的研究现状  8-9
  1.2光纤光栅传感器及其发展趋势  9-10
  1.3光折变体光栅及其研究进展  10-12
    1.3.1多重光折变体光栅的复用技术  11
    1.3.2多重光折变体光栅的曝光技术  11-12
    1.3.3光折变体光栅的固定  12
  1.4本论文的主要工作及研究意义  12-14
第2章光纤光栅理论  14-26
  2.1光纤光栅的光谱特性及其数值模拟  14-21
    2.1.1均匀光纤光栅  14-16
    2.1.2线性啁啾光纤光栅  16-18
    2.1.3锥形光纤光栅  18-19
    2.1.4长周期光纤光栅  19-21
  2.2FBG的传感原理  21-24
    2.2.1FBG对温度的传感  21
    2.2.2FBG对应变的传感  21-24
  2.3光纤光栅的写入方法  24-25
  2.4光纤光栅的应用及发展方向  25
  本章小结  25-26
第3章光纤布拉格光栅传感器  26-34
  3.1FBG传感器的解调技术  26-29
    3.1.1边沿滤波法  27
    3.1.2可调滤波法  27-28
    3.1.3干涉扫描法  28-29
  3.2FBG传感器的多参量测量  29-30
    3.2.1应变和温度的辨别测量  29
    3.2.2作用力和温度的辨别测量  29-30
    3.2.3位移和温度的辨别测量  30
    3.2.4压力和温度的辨别测量  30
  3.3FBG传感器的增敏  30-32
    3.3.1FBG传感器的温度增敏  30-31
    3.3.2FBG传感器的压力增敏  31-32
  3.4FBG传感器的复用技术  32-33
  本章小结  33-34
第4章光折变体全息理论  34-47
  4.1体全息图的基本特征  34-37
    4.1.1体全息图的记录与波前再现  34
    4.1.2体全息图的几何结构与布拉格衍射  34-37
  4.2光折变体光栅  37-39
    4.2.1光折变效应  37-38
    4.2.2光折变体光栅的形成  38-39
  4.3体光栅的耦合波理论  39-42
  4.4体光栅的角度和波长选择性  42-44
    4.4.1水平角度选择性  42-43
    4.4.2波长选择性  43-44
  4.5基于光折变体光栅的FBG波长解调原理  44-46
    4.5.1结构原理分析  44-45
    4.5.2温度传感器的数值模拟  45-46
  本章小结  46-47
第5章光折变体光栅特性的实验研究  47-59
  5.1体光栅的角度和波长选择性  47-49
    5.1.1不同晶体厚度下的角度和波长选择性  47-48
    5.1.2不同入射角时的角度和波长选择性  48-49
  5.2体光栅的折射率调制度和有效厚度的测量  49-53
    5.2.1理论依据  50-51
    5.2.2实验验证  51
    5.2.3结果讨论  51-53
  5.3体光栅的衍射偏振特性及抑制方法  53-58
    5.3.1理论依据  53-56
    5.3.2实验研究  56-58
  本章小结  58-59
第6章基于光折变体光栅的FBG波长解调的实验研究  59-67
  6.1光折变体光栅在红外波段的角度选择性  59-61
  6.2光折变体光栅在红外波段的波长选择性  61-62
  6.3传感FBG的温度定标  62-64
  6.4基于光折变体光栅的FBG温度传感器的实验研究  64-65
  6.5结果讨论  65-66
  本章小结  66-67
第7章结论与展望  67-69
  7.1本文总结  67-68
  7.2今后工作的建议  68-69
参考文献  69-74
攻读硕士学位期间完成的学术论文  74-75
致谢  75-76

基于光折变体光栅的FBG波长解调技术研究

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