1、光栅布拉格光栅及其传感特性研究 2一 光纤光栅概述 21.1 光纤光栅的耦合模理论 21.2 光纤光栅的类型 31.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅 31.2.2 线性啁啾光纤光栅 31.2.3 切趾光纤光栅 31.2.4 闪耀光纤光栅 41.2.5 相移光纤光栅 41.2.6 超结构光纤光栅 41.2.7 长周期光纤光栅 4二 光纤布拉格光栅传感器 52.1 光纤布拉格光栅应力传感器 52.2 光纤布拉格光栅温度传感器 62.3 光纤布拉格光栅压力传感器 62.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器 7三 光纤光栅传感器的敏化与封装 103.1 光纤光栅传感器的温度敏化 103.2 光纤光栅
2、传感器的应力敏化 103.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法 10四 光纤光栅传感网络与复用技术 104.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术 114.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术 124.1.2 基于波长分离法的波分复用技术 134.1.3 基于衍射光栅和 CCD 阵列的复用技术 134.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用 (DWDM)技术 144.2 光纤光栅传感网络常用的空分复用技术 144.3 光纤光栅传感网络常用的时分复用技术 164.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术 184.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术 184.4.2 FBG 传感网络
3、的光频域反射复用技术 184.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术 184.6 混合复用 FBG 传感网络 184.6.1 WDM/TDM 混合 FBG 网络 184.6.2 SDM/WDM 混合 FBG 网络 184.6.3 SDM/TDM 混合 FBG 网络 184.6.4 SDM/WDM/TDM 混和 FBG 网络 184.6.5 光频域反射复用/波分复用混合 FBG 传感网络 18五 光栅光栅传感信号的解调方法 18六 激光传感器 18毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，
4、除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：
5、 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存
6、和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及
7、格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优
8、良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良
9、 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日光栅布拉格光栅及其传感特性研究一 光纤光栅概述1.1 光纤光栅的耦合模
10、理论光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表示折射率分布较为一般的描述：(1-1)1 12 23 3,nFrzrarz式中： 为光纤纤芯半径； 为光纤包层半径； 为纤芯初始折射率；1a2a1n为包层折射率； 为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值2n,Frz为 ； 为折射率变化最大值。maxax1,nFrzax光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：(1-2)0expzzdAzkBiqdz式中： 、 分别为光纤光栅
11、区域的前向波、后向波； 为耦合AzB kz教学系意见：系主任： （签名）年 月 日系数； 与光栅周期和传播常数 有关。利用此方程和光纤光栅的折射率分qz布、结构参量及边界条件，并借助于四阶 Runge-Kutta 数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光线器件。1.2 光纤光栅的类型光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。非周期性光纤光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。色散补偿
12、型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，又称为啁啾光纤光栅。光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅这是目前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。由这种均匀光栅的光谱特性可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的 Fabry-Perot 效应所致。这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。1.2.2 线性啁啾光纤光栅栅格间距不等的光栅，通常称为啁啾光纤光栅。不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。线性啁啾光纤光栅是折射
13、率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性啁啾光纤光栅谐振峰两边也有一些旁瓣，产生的原因与均匀光纤光栅一样，也不利于应用。1.2.3 切趾光纤光栅切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络变化，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函数、柯西函数。这种光栅的两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使它的反射谱不存在旁瓣。1.2.4 闪耀光纤光栅光栅制作过程中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，但光纤光栅的周期和折射率调制深度均为常数，这就形成了闪耀光纤光栅。闪耀光纤光栅的光谱特性类似于均匀
14、光纤光栅，也有旁瓣。1.2.5 相移光纤光栅相移光纤光栅是在均匀光纤光栅的某些特点上，通过一些方法破坏其周期的延续性而得到的。相移光纤光栅可以看做是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连接都会产生一个相移，它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。1.2.6 超结构光纤光栅超结构光纤光栅亦称为取样光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制下加上一个方形包络函数，这是一种特殊的光栅结构，它既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光纤光栅的包层模耦合特性。这种光纤光栅的反射谱具有一组分立的反射峰，故可用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布布拉格反射光纤激光器、以及多通道色散补偿等方面有潜在的应用。另一方面，由于方波包络的周期通常为几百个微米，因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，它将引起基阶导波模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起的谐振峰与布喇格反射峰对外界环境参量(如温度、应变、折射率
