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掺铒相移光纤光栅制造误差仿真分析及传感应用研究

掺铒相移光纤光栅制造误差仿真分析及传感应用研究

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作者：庄羽齐鲁工业大学

学位级别：硕士

光纤激光技术于上世纪80年代末提出,在通信、传感、医疗和工业生产等领域已得到了广泛应用。随着光敏性有源光纤制造技术和特种光纤光栅刻写工艺的不断进步,直接在有源光纤上刻写光纤光栅,构成短腔单纵模激光器的方案获得了显著发展。其... 详细信息

光纤激光技术于上世纪80年代末提出,在通信、传感、医疗和工业生产等领域已得到了广泛应用。随着光敏性有源光纤制造技术和特种光纤光栅刻写工艺的不断进步,直接在有源光纤上刻写光纤光栅,构成短腔单纵模激光器的方案获得了显著发展。其中,分布反馈光纤激光器是将π相移光栅直接写入有源光纤,构成分布反馈谐振腔,具有本征单纵模、窄线宽、低噪声、振弦结构环境敏感性高等优点,被广泛用作超窄线宽激光种子光或高灵敏的光纤激光传感元件。有源相移光纤光栅是分布反馈光纤激光器的核心器件,同时承担了分布反馈腔和增益介质的作用,其周期一致性、折射率调制量一致性和相移量准确性直接影响到分布反馈光纤激光器的激光性能。因此,有源相移光纤光栅制作技术决定了分布反馈光纤激光器的实际应用价值。充分研究有源相移光纤光栅的制作工艺,对于实现分布反馈光纤激光器的推广应用至关重要。本文详细介绍了掺铒相移光纤光栅的制造工艺,根据扫描曝光结合动态相位掩膜板法工艺特点,对可能存在的光栅结构误差进行了分析归纳,并建立耦合模理论模型对误差存在的影响进行了仿真分析,利用掺铒相移光纤光栅热致啁啾效应提出了强度解调型光纤热线传感技术。主要工作如下:(1)分析了扫描曝光结合动态掩膜板法制作工艺中,光栅结构误差产生机理。搭建了扫描曝光结合动态相位掩膜板法的光纤光栅制作系统,并详细地介绍了该系统制作掺铒相移光纤光栅的过程。根据该系统在实际批量制作掺铒相移光纤光栅中出现的成品率不稳定情况,分析提出了四种可能导致光栅产生结构误差的因素:压电陶瓷驱动器带动相位掩膜板移动不准确、相位掩膜板存在污点、紫外激光器脉冲能量波动以及直线平台非匀速运动。结合传输矩阵法理论模型,将这四种结构误差归纳为三种数值仿真模型:相移量偏离π、折射率调制量啁啾及随机等效相移。(2)开展了三种光栅结构误差对有源相移光纤光栅光谱特性和分布反馈光纤激光器激光特性影响的仿真研究。通过仿真结果与相关实验数据对比分析,研究了相移光纤光栅存在结构误差时光谱透射窗口的劣化情况,同时讨论了光栅结构误差对分布反馈光纤激光器阈值功率、能量分布等特性的影响。通过研究分析光栅误差量级对有源相移光纤光栅和分布反馈光纤激光器性能的影响程度,从而为进一步优化改进分布反馈光纤激光器的刻写工艺提供了理论依据。(3)结合光栅啁啾对分布反馈光纤激光器输出功率的影响,提出了基于掺铒相移光纤光栅热致啁啾效应的强度解调型光纤热线传感机理。在分布反馈光纤激光器掺铒相移光纤光栅后端熔接掺钴光纤,利用剩余泵浦光激励掺钴光纤发热,构成光纤热线,温度梯度分布使掺铒相移光纤光栅产生热致啁啾,导致分布反馈腔结构变化而引起的激光功率变化。由此构成的光纤热线传感器实现了高达25.74μW/(m/s)的气流检测灵敏度,同时测量分辨率达到了0.00039 m/s的水平。实验结果说明,相较于传统的基于波长解调技术的光纤热线传感器,所提出的强度解调型光纤热线传感器展现出了在微气流测量中的明显优势。

关键词：掺铒相移光栅分布反馈光纤激光器光栅结构误差动态相位掩膜板法热致啁啾效应

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