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1、分類號(hào)：TN25單位代碼：10183研究生學(xué)號(hào)：2013512008密級(jí)：公開吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文新型光纖光柵傳感器飛秒激光制備及其特性研究Fabricationofnovelopticalfibergratingsensorsandstudyontheircharacteristics作者姓名：梁居發(fā)專業(yè)：物理電子學(xué)研究方向：光電子學(xué)指導(dǎo)教師：孫洪波教授培養(yǎng)單位：電子科學(xué)與工程學(xué)院2016年6月新型光纖光柵傳感器飛秒激光制備及其特性研究Fabricationofnovelopticalfiber
2、gratingsensorsandstudyontheircharacteristics作者姓名：梁居發(fā)專業(yè)名稱：物理電子學(xué)指導(dǎo)教師：孫洪波類別：理學(xué)碩士答辯日期：2016年6月1日摘要通過激光加工等手段使光纖纖芯的折射率在軸向發(fā)生周期性的改變，這樣形成的結(jié)構(gòu)叫做光纖光柵。光纖光柵作為一種新型無源光學(xué)器件，可制備成各種傳感器件，廣泛應(yīng)用于苛刻環(huán)境傳感、建筑構(gòu)造、化學(xué)檢測(cè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。光纖光柵有很多種類，其中最主要包括有光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）和長(zhǎng)周期光纖光柵
3、（LongPeriodFiberGrating，LPFG）。其中FBG與LPFG的主要區(qū)別在于周期的不同，F(xiàn)BG的周期比較小，一般小于一微米，而LPFG的周期比較大，一般為幾十到幾百微米。FBG中的光波能量傳輸?shù)哪Ｊ绞钦騻鬏數(shù)睦w芯模與反向傳輸?shù)睦w芯模相耦合，在光譜中可以觀察反射凸起和透射凹下的布拉格諧振峰，在傳感領(lǐng)域中經(jīng)常用于對(duì)溫度，應(yīng)變等物理量的測(cè)量。而在LPFG中則是正向傳輸?shù)睦w芯模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽＃獠ㄔ谕饨绛h(huán)境中發(fā)生能量的損耗，在光譜中可以看到一系列損耗型透射諧振峰。相對(duì)于FBG，
4、LPFG不僅能測(cè)量溫度和應(yīng)變，還對(duì)外界折射率非常敏感，因此是一種很常用的折射率傳感器。目前制備FBG和LPFG的方法主要有紫外（UV）激光技術(shù)制備和飛秒激光微納精細(xì)加工技術(shù)制備。利用紫外激光制備光纖光柵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能制備出性能和光譜良好的FBG和LPFG，但是紫外激光技術(shù)制備方法存在一些弊端。制備光纖光柵前不但要對(duì)光纖進(jìn)行增加光敏處理，而且這樣制備出來的光纖光柵溫度穩(wěn)定性很差，在高于400℃的環(huán)境下光柵結(jié)構(gòu)很容易被擦除。因此利用UV激光技術(shù)制備的FBG和LPFG不能正常應(yīng)用于高溫環(huán)境中。飛秒
5、激光有著超短脈沖寬度和高功率峰值（最高可達(dá)1023W/cm2），廣泛應(yīng)用于透明介質(zhì)材料的三維精細(xì)加工。近年來，利用飛秒激光制備FBG與LPG技術(shù)飛速發(fā)展，相比UV激光技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于制備光柵前并不需要對(duì)光纖進(jìn)行額外的光敏處理，可以直接對(duì)光纖纖芯的折射率進(jìn)行局域化調(diào)制，從而形成光纖光柵結(jié)構(gòu)。而且所制備的光纖光柵溫度穩(wěn)定性極好，可以在高溫苛刻的環(huán)境下正常使用。鑒于此，本論文提出兩種利用飛秒激光直寫技術(shù)制備的新型光柵結(jié)構(gòu)，即FBG與LPFG并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)和微孔布拉格光柵，并且對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的制備過程，工作原理
6、和傳感特性和應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。本論文的主要內(nèi)容如下：1.研究利用飛秒激光刻寫光纖光柵的機(jī)理以及FBG與LPFG的基本原理。透明材料如二氧化硅能對(duì)入射的飛秒激光產(chǎn)生強(qiáng)烈非線性的吸收。為了產(chǎn)生光學(xué)擊穿和對(duì)材料造成損傷，必須通過非線性吸收使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在材料中沉積足夠多的激光能量，而在此非線性吸收中存在兩種非線性激發(fā)機(jī)制：光致電離和雪崩電離。如果非線性吸收使材料沉積足夠多的能量就會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生缺陷與損傷，從而可以對(duì)材料進(jìn)行永久的折射率調(diào)制，若該調(diào)制是周期性則就形成光柵結(jié)構(gòu)。接著也對(duì)FBG
7、和LPFG做了簡(jiǎn)單的理論分析，掌握了FBG和LPFG的基本原理。2.利用飛秒激光加工技術(shù)制備出FBG與LPFG并聯(lián)的新型集成傳感器。制備FBG方法是飛秒激光逐點(diǎn)寫入法，而制備LPFG則是采用激光掃描直寫法。FBG是刻寫在光纖纖芯中央，周期為1.07μm，長(zhǎng)度為2.4mm，其布拉格諧振峰波長(zhǎng)位置為1550nm，屬于二階布拉格諧振峰。LPFG則刻寫在并聯(lián)FBG偏心1.8μm的位置，周期為60μm，長(zhǎng)度也為2.4mm。接著對(duì)此集成傳感器進(jìn)行溫度和折射率的測(cè)試，其中FBG的溫度靈敏度為12.98pm/℃，
8、LPFG則為10.93pm/℃，而FBG的折射率靈敏度大約為0nm/RIU，LPFG中1555nm附近的損耗峰的折射率靈敏度為196.46nm/RIU。由于FBG與LPFG對(duì)溫度的靈敏度和折射率的靈敏度都不一樣，則可以根據(jù)雙參數(shù)傳感的矩陣來進(jìn)行溫度和折射率同時(shí)傳感。3.提出了一種基于微通道的新型光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)。采用飛秒激光掃描直寫技術(shù)對(duì)光纖進(jìn)行折射率改性與HF溶液選擇性腐蝕的方法，得到微通道FBG。制備步驟：第一是利用飛秒激光在經(jīng)過光纖纖芯的橫截面垂直于光纖方向進(jìn)行直線的折射率
