再生光纤光栅的可控粘弹性调谐研究

High temperature resistant grating with complex structure have extensive applications in the field of optical fiber communication and optical fiber sensing, but its manufacture method is complex and the cost is too high. Applicants previous research have found that viscoelastic tuning of regenerated grating is expected to solve this problem.This project intends to through the study and quantify the influence factors of viscoelastic tuning, such as high temperature annealing time, annealing temperature, temperature field distribution and the size of the applied stress, quantificat the influence factors of viscoelastic tuning. Establish and perfect the viscoelastic model of viscoelastic tuning, study the effects of the production parameters of regenerated grating on the viscoelastic tuning to achieve precise control of tuning parameters, We will produce the specified spectral characteristics of high temperature resistant grating whose center wavelength and bandwidth are all controllable. Its features will be tested before and after tuning, reveal grating to regeneration characteristics of viscoelastic tuning process. This project has theoretical significance and practical value for the development of high temperature resistant fiber devices, to provide theoretical basis and technical methods of fabrication of high temperature resistant grating with complex structure.

特殊结构耐高温光栅在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用，但现有制作方法工艺复杂且成本高昂，申请者前期研究发现的再生光栅粘弹性调谐有望解决这一难题。本项目拟通过研究高温退火时间、退火温度、温度场分布、施加应力大小等参数对调谐效果的影响，量化粘弹性调谐的影响因素，建立并完善粘弹性调谐理论模型；研究再生光栅制作参数对粘弹性调谐效果的影响，优化调谐效果；在建立调谐模型的基础上，实现对调谐参数的精确控制，制作出光谱特性符合预期设定（光栅中心波长、带宽等均可控制）的特殊结构耐高温光栅；研究制得的耐高温光栅调谐前后的表征特性变化，揭示粘弹性调谐过程对再生光栅特性的影响。本项目研究对耐高温光纤器件的发展具有理论意义与实际价值，为各类复杂结构耐高温光栅的制作提供理论依据和技术方法。

光纤光栅是光纤激光器、光纤通信和光纤传感系统中的关键器件，随着激光功率的急速提高和系统应用环境复杂化，对光纤光栅耐高温能力提出了更高要求。在石油化工、冶炼、电厂、核工业、航空航天引擎以及火灾现场等极端高温环境里，传统的电传感器难以稳定工作，耐高温光纤光栅传感器是理想的温度监测工具。再生光栅具有制作工艺简单、成本较低、耐高温性能优异等特点，是十分理想的耐高温光纤光栅。但现有的常规再生光栅，其光谱性质取决于种子光栅，无法进行灵活调整。本项目负责人前期研究发现的再生光栅粘弹性调谐有望解决这一难题，通过对其进行粘弹性调谐，可以进一步按照需要调整其光学特性。本项目针对该问题，通过对比实验研究了再生光栅再生过程和粘弹性调谐的影响因素，总结出高温下光纤粘度随时间变化的规律及其对再生光栅光谱的影响，为高温再生光纤光栅的粘弹性调谐以及基于粘弹性调谐的光纤器件制作提供量化依据。通过实验确定再生光栅作为高温应变传感器的使用温度范围为900℃以下，以避免更高温度带来的粘弹性导致的测量错误。研究了调谐所用再生光栅制作参数对调谐效果的影响，为前期再生光栅的制备提供指导依据。通过建模与计算得到了几类典型啁啾光栅的温度与应力响应特性，为调谐得到啁啾光栅的传感应用提供了理论依据。通过氢氟酸腐蚀结合高温退火的方式，制作得到传感性能更好的耐高温光栅，其传感性能比普通再生光栅高45.5%，这为耐高温特殊结构光栅提供了新思路。项目研究对耐高温光纤器件的发展具有理论意义与实际价值，为复杂结构耐高温光栅的制作提供理论依据和新思路。