全光纤传感器之制备与传感特性概述

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1、全光纤传感器之制备与传感特性概述第1章绪论1.1光纤传感器的研究进展光纤传感器的工作原理，是将光源发出的具有特定光波参数的光，经光纤引入到敏感区，被测量于此处对光产生直接作用，使得光的一系列参数光强、频率、波长、相位等发生变化，变化后的光束被引入到光学仪器进进行检测，通过对上述的光波参数进行测量而测得外界物理量（温度、折射率、液位深度、压力，应变、振动等）的实际值[5]。光纤传感器主要分为以下几类：基于传感信号具有不同的调制方式，一般把光纤传感器分为按强度、按相位和按偏振态三种方式进行调制。其中使用领域最广的一种，是传感器的信号按强度调制这种类型，它往往应用于对传感精度没有特殊要求的普

2、通场合。而当对测量精度要求较高时往往采用另外两种调制法。但是一般来说，能被光学仪器直接检测到的只有光信号的强度变化，而相位与偏振态的参数变化往往需要转换为光强信号才能被仪器所检测。但是光学参数的变化又从来不是孤立的，一种参数的变化经常耦合着另外几种参数混在里面，因此，选择适当的检测参量在光纤传感器设计中就显得非常重要。此外，对光纤传感器精度要求的提高，也需要更多的相位调制型和偏振调制型光纤传感器被研发出来[6]。根据传感器的工作系统结构，又可分为单点式光纤传感器与分布式光纤传感器。单点式传感器可以以自身为主体进行独立测试工作，又可通过复用技术，作为一个子检测单元，并入一个大型的检测系统

3、中完成多点测量工作。分布式光纤传感器一般呈线性布设，往往长达几百米的光纤沿线都可作为整个传感系统的一个模块进行检测[6]。分布式光纤传感系统中沿线的光纤同时起了一个信号传输与物理量检测这样两个功能，在测到物理量变化的同时也能直观反应沿线数据分布情况，所以这种传感器非常适合用在隧道、桥梁、矿井、管道[7-9]等长距离分布上的工作环境中。..1.2飞秒激光在光纤传感器加工上的应用1999年日本的Y.Kondo等学者则首次采用脉宽为120fs、重复频率为200kHz和波长为800nm的飞秒激光脉冲在单模光纤上用逐点写入法成功制作了长周期光纤光栅，并且对温度感应做了测试实验[118]。随后，人

4、们利用不同波长等参数的飞秒激光脉冲来制作长周期光纤光栅[119-121]。与紫外光照射制作的方法相比，使用红外飞秒激光脉冲制作出的长周期光纤光栅具有更好的耐热衰变性和耐老化特性。2008年，英国阿斯顿大学的T.Allsop等学者采用脉宽为150fs、重复频率为1kHz和波长为800nm的飞秒激光脉冲在光子晶体光纤上制作了长周期光纤光栅，并做了其对弯曲度和温度的传感测试，作为一种品质优良的弯曲度传感器[122]。2010年，中国香港理工大学的LiaoC等学者采用脉宽为120fs、重复频率为1kHz和波长为800nm的飞秒激光脉冲在特种光纤(All-solidphotonicbandgap

5、fiber,AS-PBGF)上用逐点写入法制作了长周期光纤光栅[123]，并用其测试温度和应力，灵敏度分别为0.0178nm/℃和0.0018nm/με。同年，他们采用飞秒激光脉冲钻孔的方法在光子晶体光纤上微加工出长周期光纤光栅，如图1.17所示[124]。它的光栅区域长度小于4mm，共振衰减峰大于20dB，且给出了详细的理论模型和计算分析。第2章飞秒激光制备光子晶体光纤干涉式传感器2.1飞秒激光加工特点飞秒激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率的特性，在与透明介质相互作用时表征出多种非线性光学效应。这些非线性光学效应只发生在功率密度极高的焦点内区域，而且超短脉冲宽度

6、远小于热平衡时间避免了热扩散影响，因此提高了加工尺度的分辨力，能够更加精确地控制加工尺寸，使飞秒激光技术在微纳制造领域得以广泛的应用。随着激光领域的深入研究，激光波长及脉冲的时域宽度被压缩得越来越短。超短激光技术（脉宽为飞秒或皮秒级）的研究也达到较为成熟阶段。以掺钛蓝宝石为代表的新一代飞秒激光器，激光中心波长位于近红外波段（～800nm），输出光脉冲的持续时间最短可至5fs，脉冲功率密度可达1015～1018ZI传感器基本原理当两束频率相同、振动方向相同以及相位差恒定的光叠加到一起时，会发生干涉现象。马赫-泽德干涉仪（Mach-Zehnderinterferometer,MZI）是用分

7、振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，其基本装置示意图如图2.5所示。P1、P2是两块分别具有半反射面A1和A2的半透半反镜，M1、M2是两块平面反射镜。将四个反射面保持平行，并使它们的中心在一平行四边形的四个顶点上。单色点光源S位于准直镜L1的焦平面上，从S发出的光经L1准直后在半反射面A1上分为两束光，一束光经M1和A2反射而达投射物镜L2，另一束光则经M2反射并透过A2后也达L2。由于两束光是相干的，在L2的焦平面上会产生干涉。随后，在M1与