新型局部微结构光纤光栅的理论与应用研究

光纤光栅自问世以来，以其无可比拟的优势迅速在光纤传感及相关领域得到了重要应用。近年来，随着需求的增多，倾斜光纤光栅、光子晶体光纤光栅等各种新型光栅不断涌现，成为新的研究热点。本课题提出的新型局部微结构光纤光栅，是通过化学刻蚀或飞秒激光器刻写的方法在普通光纤布拉格光栅的栅区包层上制作不同物理缺陷，从而在光栅的反射谱中打开一个或多个带隙。这种光栅的重要优势在于它不需借助额外的封装技术就可以实现双参量的同时测量，并进而可以实现多参量（3参量）的同时测量。基于其独特的优势，微结构光纤光栅在生物光纤传感器、微流体传感器中有重要应用。本课题拟制作2种微结构光纤光栅，并对这2种光栅进行理论分析和模拟仿真，建立适用于微结构光纤光栅的理论分析模型，研究缺陷位置、长度、深度、形状等参数对光栅反射谱的影响。在此基础上，对其进行传感实验研究，用单光栅实现对液体温度和浓度的同时测量，并进而研究3参量同时测量的方法。

局部微结构光纤光栅是对光栅栅区的包层进行局部刻蚀得到的。本课题分别对光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPG）的栅区包层进行局部刻蚀，形成局部微结构光纤布拉格光栅（LMSFBG）和局部微结构长周期光纤光栅（LMSLPG），从理论和实验上对这种特种光栅进行了研究，具体内容如下：.1．研究了局部微结构光纤光栅的理论分析方法。局部刻蚀的结果就是在光栅的缺陷处引入了一个相移，在光谱上体现在光栅的透射峰中打开了一个透射窗口，从而形成了两个透射峰和一个透射窗口的光谱结构。以典型的单个环形缺陷、左右对称的局部微结构光纤光栅为例，仿真研究了各个缺陷参数（如刻蚀长度、刻蚀深度）对光栅光谱的影响，也研究了缺陷的位置和缺陷的数目对光栅光谱的影响。考虑到实际制作过程中的非理想因素，对几种缺陷形状进行了仿真研究。.2．研究了局部微结构光纤光栅的制作方法。尝试了两种制作方法：第一种是化学腐蚀的方法，采用稀释的HF酸局部腐蚀栅区包层，成功制成了局部微结构光纤光栅；第二种是飞秒激光刻蚀的方法，由于飞秒激光刻蚀的长度较小，只有几个微米，所以未能在光栅的透射峰中打开透射窗口。可见，虽然飞秒激光刻蚀法可以精确的控制缺陷的位置、宽度、深度，制作具有一定的可重复性，但由于其刻蚀的长度有限，不能产生预期的光谱结构。.3．研究了局部微结构光纤光栅的传感特性。首先制作了单个环形缺陷、左右对称结构的LMSFBG和LMSLPG，其光谱与理论分析结果基本一致。分别对上述两种光栅进行了温度、折射率的传感特性实验。实验结果显示，两种光栅表现出了类似的传感特性，即两个透射峰对温度（或折射率）的灵敏度基本一致，而透射窗口则具有不同的温度（或折射率）灵敏度。由于LPG对弯曲敏感，所以还对LMSLPG进行了弯曲曲率的传感实验，实验结果显示两个透射峰的灵敏度基本一致，与透射窗口的灵敏度不同。根据以上实验结果，结合敏感矩阵，用单根局部微结构光纤光栅实现了温度和折射率、温度和弯曲曲率的同时测量。.