横向应力致光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究

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1、横向应力致光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究一、立项依据和目标1、本课题研究意义及同类研究工作国内外研究现状、知识产权状况与存在问题，并列出主要参考文献2、本课题的研究内容、研究目标和拟解决的关键问题3、本课题的特色和创新之处（与国内外类似研究比较）4、研究工作的预期成果、成果提交方式及专利生产情况二、研究方法与技术路线1、拟采取的研究试验方法、步骤、技术路线及可行性、可靠性论证2、研究工作的总体安排及进度三、实现本课题预期目标已具备的基础和条件1、与本课题有关的研究工作基础2、申请者的主要学历、工作简历，在国内外学术组织、刊

2、物及国际性学术会议任职情况（列表，如任职、邀请报告等），课题组其他主要成员的主要学历和工作简历3、主要学术成绩、创新点及其科学意义：着重阐述近几年来所取得的研究成果及其特点等4、申请人承担的各类科研项目情况。(包括主持或参加的各类科研项目以及所获人才基金项目等的研究工作，应列出项目类别、编号、名称、研究起止年月、获资助金额、进展情况以及完成情况)5、主要研究成果：5篇有突出创新性成绩的代表性论著，其他论著目录、被收录与引用情况统计表及其清单。科技奖励情况，已获授权的专利情况6、实现本项研究已有的主要仪器设备，尚缺的仪器设备及解决

3、途径、推荐意见一、立项依据和目标1、本课题研究意义及同类研究工作国内外研究现状、知识产权状况与存在问题，并列出主要参考文献光纤光栅是一种在光纤内部写入的无源器件，它利用光纤的光敏特性，通过紫外光的照射使纤芯的折射率发生周期性变化，从而改变光在其中的传播行为，具有频宽窄、反射率高的波长选择特性。由于光纤光栅本身就是一段光纤，因此特别易于与其他光纤器件融为一体，再加上它的带宽范围大、极化不敏感、附加损耗小等诸多优良特性，使得光纤光栅迅速发展成为光纤通信系统中的核心器件，能够解决全光通信系统中的许多关键问题光纤光栅技术的另一热门研究领

4、域是传感器，由于光纤的变形或折射率的改变会直接影响光纤光栅的特性，因此它可以看作是一种敏感元件，利用这一特点光纤光栅可以设计成各种物理量的传感器，如应变、压力、温度等，通过检测这些传感器反射光的波长变化，就可以得到所需的被测物理量[2]。由于光和光纤的特有性质，光纤光栅传感器与生俱来地具备了光纤传感器的各种特点，同时，由于它是一种波长编码的光纤传感器，因此还具有自己独特的优势：①频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好；②光纤传光损耗很小，有利于传感信号的远距离测量，并可与计算机相连，实现智能化和远距离监控；③抗电磁干扰、抗腐

5、蚀、适用于各种应用场合，能在恶劣环境下测量；④不受光源波动和传输线路弯曲损耗的影响；⑤体积很小，重量轻；⑥可复用性强，可以构成分布式光纤传感网络等。这些优异性能使得近年来光纤光栅传感器的发展非常迅速，广泛应用于多种场合，尤其适合于埋入被检测材料的内部构成智能材料或结构，这样一旦待测主体结构经受应力的变化，就会导致光栅的反射光谱发生偏移，通过检测波长的移动就可以还原出结构内部的应变状态，通过构建传感网络还可以实现多点或分布式的无损检测。然而，目前大多数光纤光栅传感器只适合检测沿着光纤轴向的应力，这意味着测量任意方向的应力就需要使光

6、纤光栅的纵轴与该应力方向相一致。但是在很多情况如结构在线健康检测、智能结构损伤检测等领域，除了轴向应力以外，主体结构往往还会受到横向压力的作用，因此要检测出主体材料内部的全部应变信息就需要埋设多个光纤光栅传感器，并使其纵轴与应力的方向相同。显然布置这些数量庞大、方向相互垂直的光纤光栅传感器是十分困难的，而且还会直接导致系统成本大幅提高、结构异常复杂，更严重的是传感器数量过多也容易削弱主体材料，并对其造成影响甚至损害，因此极大地限制了光纤光栅在工程中的应用。基于上述原因，对横向应力的测量一直是光纤光栅传感技术的难点和研究热点。为克

7、服这一技术难题，E.dd等人提出在保偏光纤上制作双波长布拉格光栅，即在保偏光纤的同一位置刻制两个不同中心波长的光栅以实现横向应变的测量。与普通低双折射光纤光栅不同的是，由于保偏光纤存在两个偏振轴方向（快轴和慢轴），并且其有效折射率各不相同，因此每一个中心波长位置附近会形成两个光栅，分别对应不同的偏振轴，最终总共形成4个反射波峰，该方法不需要光栅轴向与受力方向平行，理论上可以大幅减少传感器的数量和系统的复杂程度[3]，Lawrence等人进一步证实了保偏光纤光栅传感器能够同时测量相互垂直的两个横向应变以及轴向应变和温度，并提出了具

8、体的实现方法[4]；F.Bosia等人则建立了蝴蝶结型保偏光纤光栅在横向载荷作用下的光谱响应计算模型，并获得了与理论模型相符合的实验结果[5]；M.Prabhgod和K.Peters对椭圆包层型保偏光纤光栅在横向载荷下的应力分布进行了有限元分析并对其光谱响应进行