双偏心光纤布拉格光栅及其三维形变传感研究

Fiber Bragg gratings (FBGs) with asymmetric refractive index profiles induce more various spectral characteristics, which contribute to multi-parameter and distributed deformation sensing, thus become one of the most interesting research topics in fiber sensing technology. However, single FBG has its limitation in three-dimensional (3D) deformation sensing application. This project aims to explore dual off-center FBG grating writing method, reveal the coupling mechanism of the grating evanescent field, and develop its application in 3D deformation measurement. To achieve these, the following studies will be carried out: (1) explore the modulation mechanism of off-centered refractive-index periodic distribution in single mode fiber, obtain dual off-center gratings samples by two-step writing method, and analysis the influence of the gratings relative distribution on mode coupling characteristics; (2) study dual off-center FBG deformation properties, develop the corresponding sensing system, and realize its 3D deformation oriented sensing. Two scientific issues will be addressed：(1) the influence of grating spatial arrangement and writing process on mode coupling; (2) the physical mechanism of determining spatial orientation. The obtained results help to reveal new grating waveguide mode coupling mechanism, and provide a new method for developing of fiber 3D deformation devices with high sensitivity and full spatial orientation range.

非对称光纤布拉格光栅（FBG）具有丰富的光谱特征，为多参量、分布式结构形变传感与测量提供了一种简单而有效的实现途径，故而成为当前光纤光栅传感技术的研究热点之一。然而，单个FBG在三维形变测量中存在一定局限。本项目旨在探索栅区折射率非对称分布的双偏心FBG的刻写方法及其栅区倏逝场分布规律，并发展基于双偏心FBG的三维形变传感方法。主要研究内容：①单模光纤中纤芯折射率周期分布的偏心调制机理，同一位置二次刻栅的双偏心FBG制备方法，以及双栅空间相对分布对谐振模式耦合特性的影响机制；②基于双偏心FBG感知三维形变的原理、传感系统实现及对空间形变的定向感知分析。拟解决的关键问题：①双偏心FBG中双栅空间分布及写栅参数对模式耦合的影响；②确定双偏心FBG三维形变空间取向的物理机制。相关研究有助于揭示新型光栅波导模式耦合传感机制，为发展高灵敏度、全空间定向测量的FBG三维形变传感技术提供一种新的思路。

发展先进生物医学传感探针及其健康管理监测技术，实现对相关物理和生理参量的快速有效检测，从而帮助人们对自身健康状况实时监护和诊断，具有极其重要的科学和社会意义。针对全方位形变测量需求，本项目利用单模光纤刻写光纤布拉格光栅（FBG）并引入折射率周期分布的偏心调制，使得FBG能够实现多模式激发，并采用在同一位置二次写栅的方法制备出双偏心FBG，使传感探头既具有全空间范围内三维形变传感能力，又能提高紧凑性，且制备工艺简单。主要研究内容包括：①单模光纤中双偏心FBG的优化刻写及模式耦合机理；②基于双偏心FBG的三维形变传感机理及实验实现。所获得的重要结果包括: ① 研究了非对称光栅在同一位置的有效刻写手段。通过研究偏心光栅模式耦合机理，利用紫外曝光同时旋转光纤的方法实现了单模光纤轴同一区域中刻写双偏心FBG。结合两光栅特有的弯曲信号，实现了三维形变量的测量，且测量方向不确定度为0。与TFBG三维形变传感结构相比，实现了真正意义的定向弯曲测量。② 提出并实验验证了光栅中高阶模式选择性激发的方法。通过研究非对称光纤光栅的光谱弯曲敏感特性，在双模光纤中成功写制了偏心FBG，新的刻写方式不仅能使得光栅耦合多一倍的高阶模式，并且能大大提高弯曲传感器的灵敏度。相比单模中刻写的偏心FBG的最大灵敏度为1.2 dB/m-1，所研制的传感器弯曲灵敏度提高到了4.7 dB/m-1；③ 通过设计非对称弯曲传感结构，利用保偏光子晶体光纤制作了一种在线式马赫曾德干涉仪。通过理论分析模场分布和实验验证，实现了光纤弯曲的方向性敏感性的有效提高，根据方向不同，能量响应的灵敏度高达8 dB/m-1。④ 提出并实验制备了一种级联倾斜光纤光栅（TFBG）结构。结合直写FBG和具有非对称特征的TFBG各自的特点，研制了一种基于细径光纤的双光栅结构。该结构可以进一步提高包层模式的耦合强度。