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题目:超短型光纤布拉格光栅刻制技术研究

关键词:光纤布拉格光栅;短栅距;切趾技术;二次曝光法;光栅刻制

  摘要


光纤光栅现已成为重要的光子器件。光纤光栅波长与应变、温度、加速度等量值具备线性变化关系,在光纤传感领域应用具有很高的灵敏度。与传统光纤传感系统比较而言,光纤光栅传感具可靠性高和稳定性高等优势,更容易实现传感网络的复用。短栅距型光纤布拉格光栅由于在传感应用中测量点精确,可以满足小尺寸部位应变测试的需求,在结构健康监测领域有着十分重要的意义和发展潜力。在国内刻制技术下生产的光栅长度以10mm为主,刻制小于5mm的超短光纤光栅尚处在摸索阶段。研制出性能优异的超短型光纤光栅刻制技术,可以大幅提高光纤光栅制作技术的成熟度,突破航空飞行器在复杂环境和复杂结构条件下结构应变状态监测的瓶颈问题。

本文依据麦克斯韦方程组,研究了光纤光栅的基本理论—耦合模理论,及适合于分析非均匀光栅的传输矩阵法。在基本理论的基础上研究了光纤光栅的切趾技术,对比各种切趾方法后最终选择二次曝光法作为光栅的实际制作方法。以2mm光栅为例,对超短型光栅进行了数值仿真,得出了2mm均匀光栅的一般光谱特性。之后对五种切趾函数下的切趾2mm光栅进行了光谱特性仿真,并给出了相应切趾函数的最优参数取值。在基于相位掩模法的准分子激光的光栅刻制系统下研究了基于二次曝光法的光纤光栅制作工艺,包括光路调整、纤芯聚焦、载氢、涂覆层处理及退火等环节。最后就仿真内容进行了光栅刻制实验,并根据均匀、切趾2mm光栅的刻制实验结果进行了不同切趾函数性能评估。实验最终得到了2种符合传感应用要求的切趾型2mm超短型光栅样品。