基于SMS光纤结构的布拉格光纤光栅及其传感应用-光学工程专业论文.docxVIP

摘 要 与传统的电子传感器相比，基于光纤的传感器有着诸多的优点：集成度高、重量轻、 高灵敏度、对电磁干扰免疫、耐化学腐蚀以及易复用等特点，所以光纤传感器已经在物 理、化学以及生物等领域内有着广泛应用。光纤传感器的种类繁多，目前应用的比较多 的有光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅等光纤结构。近年来，一种基于单模-多模-单 模光纤（SMS）结构的传感器越来越多的引起了人们的关注。以其基于多模干涉和自镜 像效应而作为一种新型的光纤传感器，具有十分重要应用潜力和广阔的应用前景。本文 主要研究了基于 SMS 结构的布拉格光纤光栅结构（简称 SMS-FBG）的相关特性，研究 并分析了其作为多参数传感器的应用前景。 首先，利用圆柱形光波导的模式理论及端面耦合理论分别分析了基于阶跃型多模光 纤的 SMS 结构和基于梯度型多模光纤的 SMS 结构的端面耦合效率、多模干涉效应及光 谱特性??并分析了在入射光纤和多模光纤进行焊接时引入偏轴对 SMS 结构的相关特性 的影响。 然后，因为 SMS 结构与布拉格光纤光栅分别具有诸多显著的优点，我们设想把两 种结构结合在一起，从而得到基于 SMS 光纤结构的布拉格光纤光栅（简称 SMS-FBG）， 这一结构结合两种光纤结构的优点于一体，在未来的传感应用中将会有巨大潜力。为了 实现这一目的，我们利用相位掩模板的方法用紫外光照射，在 SMS 结构的多模部分写 上了布拉格光纤光栅，从而制作完成了 SMS-FBG 光纤结构。并从理论上，利用耦合模 理论分析计算了 SMS-FBG 结构的反射谱，对比分析了正轴焊接的 SMS-FBG 结构与偏 轴焊接的 SMS-FBG 结构的特性，并对 SMS-FBG 结构在多参数传感方面的应用进行了 分析。 最后，基于之前所进行的理论分析及计算，我们通过实验对上述理论分析结果进行 了验证。我们分别测试了正轴焊接阶跃型 SMS-FBG 结构和偏轴焊接阶跃型 SMS-FBG 结构的温度特性和应力特性。同时，我们也分别测试了正轴焊接梯度型 SMS-FBG 结构 和偏轴焊接梯度型 SMS-FBG 结构的温度、应力以及弯曲响应特性。我们得到了与理论 计算一致的实验结果，并且也证明了能够利用 SMS-FBG 结构进行多参数的传感测量。 关键词：SMS 光纤结构；多参数传感；Bragg 光纤光栅；SMS-FBG 光纤结构；  ABSTRACT Compared to electrical sensors, optic fiber based sensors have certain advantages: high integration, light weight, high sensitivity, electromagnetic-interference immunity, thermal and chemical resistance, non-conducting materials and multiplexing capability. Optical fiber based sensors have been developed for measuring physical, chemical and biological parameters. By now, we have developed lots of kinds fiber sensors, among them, much of the applications is by fiber Bragg grating and long-period fiber grating fiber structure. Recently, the simple single-multi-single mode fiber (SMS) structure has received considerable interest and has been demonstrated the capability of temperature, strain and micro-bend sensing. It works based on the multimode interference and self-focusing effect, so it is a new type of fiber optic sensors and it also has a very important application potential. This paper studies the characteristics of the SMS based fiber Bragg grating structure (referred to as