光子晶体光纤光栅传感特性的研究

光纤光栅是最重要的光无源器件之一,通过在光纤的纤芯建立一种空间周期性折射率分布的结构,光纤光栅能够改变或控制光在该区域的传播行为方式,在光通信和光传感领域发挥着重要作用。近年来,光子晶体光纤的出现和迅猛发展,为光纤光栅技术的进一步发展提供了新的平台。通过调整光子晶体光纤的空气孔层数、占空比和纤芯直径可以改变光子晶体光纤内传输模式的有效折射率,从而可以灵活控制光子晶体光纤光栅的光谱特性,光子晶体光纤光栅光谱的多谐振峰以及对应力和温度等物理量的高灵敏性,在高精度、多参数、分布式传感中表现出极大的应用潜力。 本论文研究了光子晶体光纤光栅的基本特性,从理论角度讨论了光子晶体光纤光栅在传感中的应用。首先基于光栅的耦合模理论和光子晶体光纤的等效折射率法建立了研究光子晶体光纤光栅的理论模型;然后采用传输矩阵方法对光子晶体光纤光栅光谱进行了仿真计算,分析了光子晶体光纤和光栅的结构参数对光子晶体光纤光栅光谱的影响,从光子晶体光纤光栅的谐振条件出发仿真计算了光子晶体光纤光栅的温度和应力传感特性,分析了结构参数对传感灵敏度的影响。结果表明:光子晶体光纤和光栅的结构参数影响了光谱谐振峰的谐振波长和反射率,光子晶体光纤光栅的温度和应力灵敏系数随着占空比的增大而增大,随着纤芯直径的增大而减小;最后本文基于光子晶体光纤长周期光栅提出了一种双参量传感器,实现了温度和应力的同时传感,其两个谐振峰的温度灵敏度达到1.93nm/℃、3.56nm/℃,应力灵敏度达到0.0054nm/με、0.0058nm/με。