文 献 综 述
- 背景及意义
光纤光栅是近来得到迅速发展的光学器件，被认为是继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的重大突破，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的。在1987年加拿大通信研究中心的Hill等人利用驻波干涉法制成了第一根光纤光栅（FBG）。但是由于需要高掺锗量的光纤及制作上的不足，大大限制了它的应用。因此其后10余年对光纤光栅的研究并没有多大进展。直到1989年,美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人 利用244nm的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅,克服了驻波干涉法的缺点,从而使光纤光栅的研究得到迅速发展。此后Hill等人于1993年又提出了相位母板复制法和准分子激光单脉冲在线写入法,该方法降低了写入装置的复杂程度,简化了光纤光栅的写入过程,并且对周围环境的要求大大降低,使光纤光栅的制造技术得到快速发展,光纤光栅批量制造成为可能,之后,光纤光栅器件逐步走向实用化。
早期的光纤光栅主要是光纤Bragg光栅(短周期光纤光栅),目前,周期为几十至几百微米的能实现同向模式间耦合的LPFG得到了人们越来越广泛的认识,实际上能够实现正向模式间耦合的周期较长的光纤光栅最早出现在20世纪90年代,它被用于实现多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换,然而现在通常意义上的纤芯基模耦合到同向传输的包层模的LPFG是由ATamp;T贝尔实验室的A.M.Vengsaker等人于1996年用紫外光通过振幅模板照射载氢硅锗光纤首先研制而成的，这标志着LPFG的诞生。1996年Bhatia等人详细研究了LPFG的各种特性，提出了其中通信及传感领域的应用。T.Erdogan从耦合模角度深入研究了LPFG的光谱特性, 从而奠定了LPFG的理论基础。1998年Davis等人提出了用CO2激光脉冲轴向周期性加热光纤写入长周期光纤光栅的技术，2008年，文献提出了一种用计算机控制的、聚焦的高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入长周期光纤光栅的方法，能够高效率高质量地写入低成本的长周期光纤光栅，使长周期光纤光栅的制作和应用进入了一个新的发展阶段。
螺旋芯长周期光纤光栅是纤芯折射率调制呈螺旋状的光纤，是一种新型光纤光栅。跟传统长周期光纤光栅相比，具有不同的成栅机理和物理构造特性。螺旋芯长周期光纤光栅在扭转物理参量的传感过程中，通过弹光效应来改变光纤光栅中各光学传输模式的有效折射率，通过光纤的径向扭转直接改变光纤光栅的折射率调制周期，改变光纤光栅的透过光谱，同时对扭转物理参量进行定量、定性检测，达到传感目的。
二、研究现状
目前对长周期光纤光栅的研究主要集中在写入方法、形成机理、理论和应用几方面。长周期光纤光栅的写入方法很多，常用的是用248nm的紫外光曝光氢载掺锗光纤。Davis等人于1998年提出的用10.6um的CO2激光在普通单模光纤中写入长周期光纤光栅 的方法得到了广泛应用。Liu等人于1999年采用一种微透镜阵列将平行的宽束准分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投射到单模光纤上从而写入长周期光纤光栅。这种方法提高了光能量的利用率，写入一个长周期光栅仅仅需要数十秒钟时间，大大提高了写入的效率。此后，又陆续有多种方法被提出，不同制作方法各有其优缺点，但都有待进一步完善。
长周期光纤光栅的写入方法不同其形成机理也不同。通常认为紫外光写入法是利用掺锗光纤的光敏性，而氢载可以增加其光敏性，其机理可用色心模型和结构重组模型作出较好的解释。Hand等人的色心模型提出了光纤折射率变化与光漂白的缺陷色心间的定量关系。CO2激光写入法的形成机理通常认为是残余应力释放。到目前为止，还没有一个能够完全解释长周期光纤光栅内在成因的模型 , 因此对长周期光纤光栅的形成机理还有待进一步深入研究。
长周期光纤光栅的理论是在光纤Bragg光栅理论的基础上发展起来的，并经历了一个逐步发展的过程。长周期光纤光栅的模式耦合属于同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合。在光纤光栅出现之前，人们就已经用耦合模理论研究平面波导中的光栅，其中的许多方法和结论可以用于研究长周期光纤光栅，只需要具体考虑光纤中传输模式的不同。
长周期光纤光栅的应用主要在通信领域和传感领域。长周期光纤光栅在光纤通信领域的应用中，最令人瞩目的当属它在掺饵光纤放大器（EDFA）中作为增益平坦器的应用。在传感领域，由于长周期光纤光栅的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模这一特点导致了长周期光纤光栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布喇格光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度。因此，长周期光纤光栅在光纤传感领域具有比光纤布喇格光栅和其他传感器器件更多的优点和更加广泛的应用。
近年来，螺旋芯长周期光纤光栅已被提出和论证。与传统的LPFG相比，H - LPG由于其形成机制和物理特性的不同，对扭转参数的测量范围更大，灵敏度更高，所以具有更多的功能，例如循环偏振选择、低偏振相关损耗(PDL)和高扭转灵敏度。在扭转参数的测量中，由于光弹性效应，每个传输模式的有效折射率都能改变谐振波长。此外，通过扭转参数可以直接改变H-LPG的指标调制周期。在实际光纤传感器应用中，由于对扭力量和方向的同时测量，H-LPG具有明显的扭力传感器优点。H-LPG的扭转特性已经有了大量的报告，还有其他诸如侧向应力、温度、扭矩传感器、全光纤带阻滤波器等也有了大量的研究报告。越来越多的科研工作者认识到H-LPG在滤波器、偏振器和传感器等领域有着广泛的应用前景。迄今为止,各种各样制造H-LPG的方法已经被提出并被论证，如通过均匀扭曲的纤维与非圆形截面核心,或者在光纤上创建一个螺旋变形面.但是H-LPG的制造工艺还是不够稳定。
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