基于多相移光纤光栅的无源及有源传感机理的研究

This project investigates the multimode operation and mode competition mechanism in multi-phase-shift distributed feedback fiber laser, by analyzing the influences of structure parameters of multi-phase-shift fiber Bragg grating on transmission spectrum and laser output, and stable, efficient and controllable multi- wavelength output are obtained with narrow linewidths. Furthermore both passive and active sensing mechanisms are discussed for multi-phase-shift FBGs. We propose two simple and effective intensity-type and beat-frequency-type demodulation schemes respectively. Firstly, passive intensity-type sensing model is established based on multi-phase-shift FBG, and effective , and effective sensitization design method is puts forward for its grating structure; secondly, the influence of non-uniform stress on multi-mode distributed feed-back fiber laser, as well as the frequency response of different beat frequency are discussed, then a sensing scheme based on beat-frequency demodulation technology is set up, which can effectively decrease frequency noise caused by mode hopping. By implementing this project,we realize applying multi-phase-shift FBG and multi-mode distributed feed-back fiber laser as high-sensitivity sensor head, which provide reliable theoretical and experimental evidence for design.and improvement of novel vibration/strain sensing device. It has important scientific significance and broad application prospect on delicate singal detection in many fields, like civil engineering, aerospace, mineral resource exploration and national defense, etc.

本项目通过分析多相移光纤光栅结构参数对光栅透射谱、多纵模输出的影响，阐明多相移分布反馈激光器中多纵模运转及模式竞争机制，实现稳定、高效、可控的窄线宽多波长输出；进一步从无源和有源传感两个角度探讨多相移光纤光栅的传感机理，分别提出两种简单有效的强度型和拍频型解调方案：建立无源强度传感模型，实现有效的光栅结构增敏设计；探讨非均匀应力对多相移分布反馈激光器多纵模输出的影响，以及不同拍频信号的频率响应，从而建立基于拍频解调技术的多纵模传感机制，有效降低模式跳变带来的频率噪声。通过本项目的实施，得到多相移光纤光栅及多纵模分布反馈激光器作为高灵敏度传感器件的重要参数，为新型振动/应力传感器件结构设计及传感性能的优化提供可靠的理论和实验依据，具有重要的科学意义，在土木工程、航天航空、矿产资源勘探和国防工业等领域的微弱信号检测方面具有广阔的应用前景。

分布反馈光纤激光器（DFB FL）由于其单频、窄线宽、低噪声等性能获得广泛的关注；作为传感器件，可以解决无源光纤光栅测量精度和信噪比较低等问题，在高精度或微弱信号探测，如海底水声检测、石油天然气勘探等领域有不可比拟的优势。本项目设计制作多相移光纤光栅(FBG)及多相移DFB FL，并对其光学和传感性能进行理论和实验分析。主要内容包括：.1.根据传输矩阵理论分析多相移FBG：通过改变相移量的数目、大小、位置可以改变透射波长；为了获得旁瓣较少的纯净光谱，以2-、4-、6-相移光栅为例，采用不同切趾函数进行比较分析。采用相位掩模板抖动法制作3-、5-、6-、18-相移FBG，测得其光谱与理论相符。.2.采用含增益的传输矩阵理论和打靶法对多相移DFB FL建模，并搭建基于氩离子激光器的光栅制作系统。采用多重曝光法制作多波长FL， 对四波长光纤光栅进行温度和应力的响应测试；但无法精确控制相移量，获得的双纵模和三纵模激光器输出不稳定；采用相位掩模板抖动法可以实现任意复杂的折射率结构，相移量控制误差≤0.01π。通过选择合适的光栅参数，实现了波长间隔分别为2pm、4pm、10pm、20pm、76pm的稳定双波长输出。并对其偏振特性、线宽、相对强度噪声等特性进行了观测。.3.建立基于多相移FBG的强度型传感模型，分析表明光栅峰值反射率越高、反射谱越陡，即单位波长内反射率变化越大，灵敏度越高，从而指导光栅设计。实验结果表明，灵敏度随着相移数目的增多而增大，但有效波长范围变窄。尤其是18相移FBG相对单相移FBG，灵敏度提高20dB。对1-、5-、6-、 9-、18-相移FBG传感的实验结果与理论吻合。.4.建立多相移DFB FL应力传感理论模型，分析不同受力位置下的响应。以双相移DFB FL为例，非均匀受力情况下，双波长拍频产生的信号与应力成正比，理论灵敏度为70.6 MHz/με。基于此设计了拍频-应力传感实验装置。为了施加非均匀应力，采用条状压电陶瓷和非均匀弹性梁两种封装方式进行封装，但是封装用胶在固化过程中的张力发生变化，会使栅区产生不可预知的啁啾，从而影响多纵模激光输出，甚至破坏栅区结构。.项目实施期间，三位骨干作为高级访问学者到国外交流；参加国内外学术会议五次；联合培养博士1名、硕士1名；发表论文共23篇，被SCI/EI检索18篇，申请专利9项，授权5项。