基于超短脉冲激光泰伯效应制作光纤光栅技术及其在桥梁健康监测中的应用研究

由于具有独特的优势，基于光纤光栅传感技术的桥梁健康监测技术已经成为目前最具有发展前途的监测手段。为了满足工程需求，新型光纤光栅的需求也越来越多，光纤光栅的制作新技术也引起了人们的极大兴趣。利用超短脉冲激光制作光纤光栅的具有成本低、精确度高等优点，已经成为目前国内外的研究热点之一。本项目组将在前人研究的基础上将泰伯效应应用到超短脉冲激光制作光纤光栅的过程中，提出了一种新型制作光纤光栅的方法。该方法具有结构简单、调节方便、效率高、成本低、产品质量好等优点，是现有光纤光栅制作方法的发展。同时将结合我单位科研、设备、人才优势，进一步针对新方法制作的光纤光栅，就其光学性能和在桥梁健康监测中的应用进行初步研究。本项目的研究内容是当前光纤光栅的制作技术发展的前沿问题，将对光纤光栅制作技术的发展和光纤传感技术在桥梁健康监测中的进一步应用奠定理论和技术支持，具有十分重要的理论价值与实际意义。

本项目对光栅泰伯效应性质及利用超短脉冲激光泰伯效应制作光纤光栅技术进行了深入的研究。设计并搭建了基于飞秒激光直写技术光纤光栅加工系统并制作了布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅，探索了加工过程中系统调节技术、控制方法、实时监测技术。结合泰伯效应，研究了基于纯位相光栅泰伯阵列照明器原理的光纤光栅制作方法，该方法具有结构简单，飞秒激光利用率高、成本低的优点，实验上搭建加工系统验证了该方法的可行性。对制作的光纤光栅进行传感性能的初步分析，并对其工程应用提出建议。理论上和实验上研究了具有复杂光谱分布的超短脉冲激光照射下光栅泰伯效应的性质。基于傅里叶光学相关理论发现二维方格形纯位相光栅在调制位相为π/2时，在其分数泰伯距离上能够实现压缩比为2的阵列照明并在实验上进行了验证。利用泰伯图像叠加、平移理论研究了位相调制为π的六角阵列光栅分数泰伯图像的规律。另外本项目还利用飞秒激光直写技术在无胶铬版上烧蚀平面衍射光栅，并对其光学性能进行测试，实验结果表明所烧蚀的平面衍射光栅具有良好的光学性能。本项目的开展对于光纤光栅制作、光纤光栅的工程应用、光栅泰伯效应性质及其应用研究方面都具有一定的理论和实际参考价值。