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1、横向应力致光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究一、立项依据和目标1、本课题研究意义及同类研究工作国内外研究现状、知识产权状况与存在问题，并列出主要参考文献2、本课题的研究内容、研究目标和拟解决的关键问题3、本课题的特色和创新之处（与国内外类似研究比较）4、研究工作的预期成果、成果提交方式及专利生产情况 二、研究方法与技术路线1、拟采取的研究试验方法、步骤、技术路线及可行性、可靠性论证2、研究工作的总体安排及进度三、实现本课题预期目标已具备的基础和条件1、与本课题有关的研究工作基础2、申请者的主要学历、工作简历，在国内外学术组织、刊物及国际性学术会议任职情况（列表，如任职、邀请报告等），课题组其
2、他主要成员的主要学历和工作简历3、主要学术成绩、创新点及其科学意义：着重阐述近几年来所取得的研究成果及其特点等4、申请人承担的各类科研项目情况。(包括主持或参加的各类科研项目以及所获人才基金项目等的研究工作，应列出项目类别、编号、名称、研究起止年月、获资助金额、进展情况以及完成情况)5、主要研究成果：5篇有突出创新性成绩的代表性论著，其他论著目录、被收录与引用情况统计表及其清单。科技奖励情况，已获授权的专利情况6、实现本项研究已有的主要仪器设备，尚缺的仪器设备及解决途径、推荐意见一、立项依据和目标1、本课题研究意义及同类研究工作国内外研究现状、知识产权状况与存在问题，并列出主要参考文献光纤光栅
3、是一种在光纤内部写入的无源器件，它利用光纤的光敏特性，通过紫外光的照射使纤芯的折射率发生周期性变化，从而改变光在其中的传播行为，具有频宽窄、反射率高的波长选择特性。由于光纤光栅本身就是一段光纤，因此特别易于与其他光纤器件融为一体，再加上它的带宽范围大、极化不敏感、附加损耗小等诸多优良特性，使得光纤光栅迅速发展成为光纤通信系统中的核心器件，能够解决全光通信系统中的许多关键问题光纤光栅技术的另一热门研究领域是传感器，由于光纤的变形或折射率的改变会直接影响光纤光栅的特性，因此它可以看作是一种敏感元件，利用这一特点光纤光栅可以设计成各种物理量的传感器，如应变、压力、温度等，通过检测这些传感器反射光的波
4、长变化，就可以得到所需的被测物理量2。由于光和光纤的特有性质，光纤光栅传感器与生俱来地具备了光纤传感器的各种特点，同时，由于它是一种波长编码的光纤传感器，因此还具有自己独特的优势：频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好；光纤传光损耗很小，有利于传感信号的远距离测量，并可与计算机相连，实现智能化和远距离监控；抗电磁干扰、抗腐蚀、适用于各种应用场合，能在恶劣环境下测量；不受光源波动和传输线路弯曲损耗的影响；体积很小，重量轻；可复用性强，可以构成分布式光纤传感网络等。这些优异性能使得近年来光纤光栅传感器的发展非常迅速，广泛应用于多种场合，尤其适合于埋入被检测材料的内部构成智能材料或结构，这样一旦
5、待测主体结构经受应力的变化，就会导致光栅的反射光谱发生偏移，通过检测波长的移动就可以还原出结构内部的应变状态，通过构建传感网络还可以实现多点或分布式的无损检测。 然而，目前大多数光纤光栅传感器只适合检测沿着光纤轴向的应力，这意味着测量任意方向的应力就需要使光纤光栅的纵轴与该应力方向相一致。但是在很多情况如结构在线健康检测、智能结构损伤检测等领域，除了轴向应力以外，主体结构往往还会受到横向压力的作用，因此要检测出主体材料内部的全部应变信息就需要埋设多个光纤光栅传感器，并使其纵轴与应力的方向相同。显然布置这些数量庞大、方向相互垂直的光纤光栅传感器是十分困难的，而且还会直接导致系统成本大幅提高、结构
6、异常复杂，更严重的是传感器数量过多也容易削弱主体材料，并对其造成影响甚至损害，因此极大地限制了光纤光栅在工程中的应用。基于上述原因，对横向应力的测量一直是光纤光栅传感技术的难点和研究热点。为克服这一技术难题，E.dd等人提出在保偏光纤上制作双波长布拉格光栅，即在保偏光纤的同一位置刻制两个不同中心波长的光栅以实现横向应变的测量。与普通低双折射光纤光栅不同的是，由于保偏光纤存在两个偏振轴方向（快轴和慢轴），并且其有效折射率各不相同，因此每一个中心波长位置附近会形成两个光栅，分别对应不同的偏振轴，最终总共形成4个反射波峰，该方法不需要光栅轴向与受力方向平行，理论上可以大幅减少传感器的数量和系统的复杂
7、程度3，Lawrence等人进一步证实了保偏光纤光栅传感器能够同时测量相互垂直的两个横向应变以及轴向应变和温度，并提出了具体的实现方法4；F.Bosia等人则建立了蝴蝶结型保偏光纤光栅在横向载荷作用下的光谱响应计算模型，并获得了与理论模型相符合的实验结果5；M.Prabhgod和K.Peters对椭圆包层型保偏光纤光栅在横向载荷下的应力分布进行了有限元分析并对其光谱响应进行了仿真6；申请者采用传输矩阵法预测了各种不同的非均匀横向应变场作用下保偏光纤光栅的光谱形态7；G.Lyckx等人实验报道了在轴向应变、横向应变以及温度的单独作用下，保偏光纤光栅传感器的光谱响应特性，并设计了一种带有毛细管结构
8、的多参量同时测量的保偏光纤光栅传感器8；尽管利用保偏光纤光栅测量横向应力的研究工作开展较多，并且取得了一些不错的实验结果，但是还难以实用化，其原因首先是保偏光纤及保偏器件的价格十分昂贵，对于偏振光的控制要求很高；再者，这种方法要求精确测量横向应力的方向与保偏光纤偏振轴的夹角，对各种不同类型的保偏光纤还需分别进行有限元分析，整个过程非常繁琐；另外尤其重要的是，在只要求检测轴向应力的场合，并不需要保偏光纤及器件，因此引入保偏光纤光栅将很难与现有的“非保偏”传感系统相融合。 与利用保偏光纤光栅的方案相比，如果能利用普通光纤光栅实现横向应力的测量显然适应性会更好，成本更低，并易与现有的光纤光栅传感系统
9、集成。R.B.Wagreich等人首先提出的“应力致双折射效应”为这种方法提供了可能性。该研究发现在横向载荷作用下布拉格光纤光栅的光谱响应特性与轴向应力时很不一样，此时由于应力沿光纤横截面两个垂直方向的分布不均匀，导致x和y偏振方向的有效折射率的变化程度不一样，亦即使原本简并的两个正交偏振模式传播常数不同，从而使光纤光栅的光谱最终发生展宽和分裂，这两个偏振方向所对应的中心波长的间隔正比于横向载荷的大小9；R. Gafsi等人从理论上详细分析了该效应的基本原理，并提出了在平面应力和平面应变两种横向应力情况下普通光纤光栅的光谱响应模型10；Zhao Jingxi等人则从实验上验证了R. Gafsi
10、等人模型的正确性11；申请者完善了R. Gafsi等人的模型并对各种非均匀横向应力作用下普通光纤光栅的光谱进行了预测和仿真，证明当存在横向应力梯度的时候，在光栅慢轴所对应的反射峰上将再次发生展宽和分裂12；张霞等人利用压电陶瓷对普通光纤光栅和线性啁啾光纤光栅进行侧向挤压，观察到了双折射效应，并实现了对光纤光栅双折射大小的控制13；刘云启等人则借助该效应以及自注入外腔脉冲半导体激光器成功实现了横向压力的测量14；赵勇等人通过观测反射峰差值实现了对横向载荷的测量，在大载荷条件下，获得了反射峰差值和负载之间良好的线性关系15；然而尽管这些研究已经证实普通布拉格光纤光栅的双折射效应能够用于横向应力测量
11、，但是尚有许多技术难点亟待克服，首先就是光纤光栅的横向应力灵敏度非常低，远小于轴向应力，也就是说，除非有较大的横向应力，否则产生的双折射效应很微弱，其光谱的反射峰几乎不发生变化或者仅发生展宽，无法直接获得两个偏振方向的中心波长差值。针对这一难点，B.K.A. Ngoi和J. Pal等人分别利用特殊材料和转换结构将横向应力传递成轴向应力以提高光栅的响应，实验获得了比裸光栅高约7倍的灵敏度，但是这种方法受限于外部材料和结构的稳定性，重复性比较差，不利于实用16-17；申请者采用工程中常用的简支板成功实现了横向集中载荷以及平板挠度的测量18，但简支板的使用同样限制了该方法的应用范围。利用光纤光栅的双
12、折射效应测量横向应力的另一个技术难点是，直接观测的光谱本质上是两个偏振方向光谱的叠加，由于光纤光栅的光谱旁瓣难以完全消除，直接测量反射 图 1. 横向应力作用下x偏振模式, y偏振模式的光谱以及两者叠加的光谱 峰的差值会产生较大的误差，如图1所示，两个偏振模式实际的中心波长差与直接观测的值有较大差距19。C.Cacheter和Marc Wilpart的研究小组最先提出这个问题，并提出利用保偏光纤光栅的PDL去还原两个偏振方向的光谱图形以提高解调精度20；C.Cacheter和MarcWilpart的小组同时对保偏光纤光栅的偏振度(DOP)、PDL、DGD以及斯托克斯(Stokes)参量等偏振参
13、数进行了理论分析和仿真21-23，但没有分析普通光纤光栅内在双折射导致的偏振特性；葛廷武等人对光纤光栅在写入过程中引入的光栅致双折射对其透射光和反射光的PDL影响进行了理论分析，但没有对来自外加横向应力引起的光纤光栅PDL的改变及其传感应用进行分析24；同时，研究者们也发现光纤光栅的PDL和DGD等偏振参数对双折射非常敏感，开始将其用于传感领域。彭晖等人利用光纤光栅的法拉第效应和测量PDL的方法实现了磁场的直接测量25；S.T.Oh 利用测量布拉格光纤光栅的PDL参数实现了温度和轴向应力的同时测量26；R.Joseph Espejo等人利用偏振分析中常用的Meller矩阵法实现了横向负载的分布
14、式测量，获得的空间分辨率达10.2 I /Im27；C.Cacheter等人通过测量光纤光栅的PDL和DGD的最大值实现了对横向应力传感，取得了一定的效果28-29。 光纤光栅的偏振特性为一直以来光纤光栅对横向应力难以测量的问题提供了一个崭新的方法。但目前该方法还处于初步试验阶段，缺乏必要的理论模型指导和分析。申请者对横向应力作用下光纤光栅的PDL进行了简单的理论分析和计算机仿真，图2(a)显示了横向应力作 IMG style=WIDTH: 477px; HEIGHT: 306px height=305 src=横向应力致光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究.files/201003993_9
15、4150_250_5.jpg width=364 border=0 IMG style=WIDTH: 489px; HEIGHT: 318px height=319 src=横向应力致光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究.files/201003993_94159_235_5.jpg width=366 border=0 (a) (b) align=center图2. 横向应力作用下布拉格光纤光栅(a)反射光谱(b)透射光的PDL响应 用下光纤光栅的反射光谱图形，从图中可以清楚地看到，当横向应力较小的时候，直接从光谱仪上得到的反射光谱几乎没有变化，随着应力的增加才逐渐发生展宽，直到出现较大的应
16、力时才能够清晰地分辨出两个峰值。图2(b)则展示了同样应力条件下，光纤光栅透射光的PDL响应谱始终清晰可辨，对横向应力的响应十分灵敏，包含了比光谱图更多的横向应力信息，进一步证明了光纤光栅的偏振特性能够用于测量横向应力30。 对横向应力致光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究是一个交叉性的新课题，包含了光电子学和固体力学等多方面的内容。事实上除了外界横向应力导致的双折射以外，光栅在光纤拉制和写入过程中引入双折射是不可避免的，而尽管测量器件的PDL等偏振参数的实验方法已经十分成熟，但对于布拉格光纤光栅的偏振特性及其传感应用的研究尚未有系统的工作加以展开，有很多理论和实验测量的问题尚待解决，例如：(
17、1).布拉格光纤光栅的偏振特性除了PDL以外，还有 DGD、DOP、PMD以及Stokes参量等偏振参数尚未被定性和定量的分析；(2).外加横向应力引起的双折射对布拉格光纤光栅偏振特性的影响，缺乏准确的理论模型；(3).在非均匀的横向应力及应力梯度作用下，如何通过对偏振特性的测量还原出横向应力场的分布，实现分布式测量；(4).虽然PDL对外加横向应力的变化非常敏感，但是用来测量横向应力的研究还刚刚开始，如何从PDL或者其它偏振参数中解调出横向应力还有待进一步研究。 本项目将详细地研究光纤光栅的内在双折射所引入的偏振相关特性，对PDL、DGD、DOP、PMD以及Stokes参量等偏振参数进行定性
18、和定量的实验测量与理论分析；本项目将研究在外加横向应力作用下，应力致双折射效应如何影响光纤光栅偏振特性，并建立相应的理论模型和实现方法。对非均匀横向应力的分布式测量，将利用传输矩阵法和模拟退火算法对光栅进行正向和逆向研究，实现非均匀横向应力场的分布式测量；此外还将探索从PDL等偏振参数测量横向应力的实用化解调方法，促进光纤光栅传感技术在横向应力测量领域的应用。 B【主要参考文献】 /B B /B 1 K. O. Hill and G. Meltz ,“Fiber agg grating technology fndamentals and overview,”J. Lightwave. Tec
19、hnol,vol.15, 1263,1997. 2 A. D. Kerdey, M. A. Davis, H. J. Patrick, et.al, “Fiber Grating Sensors,” J. Lightwave. Technol,vol 15, 1442,1997. 3 dd E, “Mltiparameter sensor system sing a mltiple grating fiber optic birefringent fiber”, S Patent Specification 5 591 965, 1997. 4 C.M. Lawrence and D.V. N
20、elson, “Measrement of transversal strains with fiber gratings”,SPIE Vol.3042, 218,1997. 5 Bosia F, Giaccari P, Botsis J, et.al, “Characterization of the response of fieagg grating sensors sbjected to a two-dimensional strain field”, Smart Mater. Strct. Vol.12, 925934,2003. 6 PrabhgodM and Peters K,
21、“Finite element model forembedded fiber agg grating sensor”, Smart Mater. Strct. Vol 15, 550-562,2006. 7 YipingWang, Binfeng Yn, Na Chen and Yiping Ci,“Characterization of a high birefringence fie agg grating sensor sbjected to non-homogeneos transverse strain fields”, Meas.Sci.Technol, Vol.17,939,2
22、006. 8 Lyckx G, DeWaele W, Degrieck J, et.al, “Three-dimensional strain and temperatre monitoring of composite laminates Insight”,Non-Destr. Test. Cond. Monit. Vol 49,1016, 2007. 9 R.B.Wagreich, W.A.Atia, H.Singh,and J.S.Sirkis, “Effects of diametric force on fiber agg gratings faicated in low biref
23、ringent fiber,” Electron. Lett ., vol.32,1223,1996. B /B 10 R. Gafsi , M. A. E. Sherif, “Analysis of indced-Birefringence Effects on Fiber agg Gratings,” Opt Fiber Technology., vol. 6, 299,2000. 11 Jingxi Zhao a, Xia zhang b, Yongqing Hang a, Xiaomin Ren, “Experimental analysis of birefringence effe
24、cts on fiberagg gratings indced by lateral compression” Optics Commnications 229,203,2004. 12 Yiping Wang, Na Chen, Binfeng Yn et.al, “Effects of distribted birefringence on fiber agg grating nder non-niform transverse load”，Optics & Laser Technology,Vol 40,1037-1040,2008. 13 张霞、黄永清、任晓敏，“光纤光栅双折射
25、效应的实验研究”，光子学报，Vol 34， 241-243，2005； 14 Ynqi Li, Kin Seng Chiang and Pak Lim Ch, “Fiber-agg-grating force sensor based on a wavelength-switched self-seeded Fay-Perot laser”, IEEE Photonics Technology Letters, 17(2): 450-452,2005. 15 Yong ZHAO, Hawei ZHAO, Jian YANG, “A novel weight measrement method
26、based on birefringence in fiber agg gratings”, Front. Optoelectron. China, 1(34): 226230, 2008. 16 B.K.A. Ngoi, J. Pal；L.P. Zhao, Z.P. Fang, “Enhanced lateral pressre tning of fiber agg gratings by polymer packaging”, Optics Commnications, Vol.242,425-430, 2004. 17 J. Pal, B.K.A. Ngoia and L.P. Zhao
27、, “Enhanced wavelength tning of laterally loaded FBG strain sensors throgh optimization of the pressre transmitting system”, Sensors and Actators A: Physical Vol 120, 416-423,2005. 18Yiping Wang, Na Chen, Binfeng Yn, Yiping Ci, se of Fiber agg Grating Sensors for Determination of a Simply ported Rec
28、tanglar Plane Plate Deformation，IEEE Photonics Technology Letters, Vol.19,1242-1244，2007 19 Yiping Wang, Xiaoqin Hang, Ming Wang, “Temperatre-insensitive transverse load sensing with improved accracy sing stress indced birefringence effects of fiber agg grating”, Optics Letters,(Sbmitted) ，2010. 20
29、Christophe Cacheter , Marc Wilpart, et.al, “Wavelength dependency of degree of polarization for niform agg gratings written into polarization maintaining optical fibers”, Optics Commnications, Vol 247, 325-333, 2005. 21 S. Bette, C. Cacheter, M. Wilpart, and P. Mgret, “Theoretical and experimental s
30、tdy of differential grop delay and polarization dependent loss of agg gratings written in birefringent fiber,” Opt.Commn., vol. 269, pp. 331337,2007. 22 Marc Wilpart, Christophe Cacheter, et.al, “Polarization properties of niform fiber agg gratings written in highly birefringent fibers”, Optics Comm
31、nications, Vol 247, 239-245,2005. 23 Christophe Cacheter I, /I Sbastien Bette I, Member, IEEE /I, Raimndo Garca-Olcina, et.al,“Inflence of the Grating Parameters on the Polarization Properties of Fiber agg Gratings”, Jornal of Lightwave Technology, Vol 27, 1000-1009, 2009. 24 葛廷武、陆丹、徐坤等，“光栅致双折射引起偏振相
32、关损耗的理论分析”，中国激光，Vol 7, 1024-1028，2007. 25 彭晖、苏洋等，“基于光纤光栅的磁场测量新方法”，光学学报，Vol 28，1717-1722，2008. 26S. T. Oh, W. T. Han, . C. Paek, and Y. Chng, “Discrimination of temperatre and strain with a single FBG based on the birefringence effect,” Opt. Exp, vol. 12, pp. 724-729, 2004. 27 R. Joseph Espejo and She
33、llee D. Dyer, “Transverse-Stress Fiber agg Grating Sensor With High Spatial Resoltion and Temperatre Stability”, Jornal of Lightwave Technology, Vol.25,1777-1785, 2007 28C. Cacheter, S. Bette, R. Garcia-Olcina, M. Wilpart, S. Sales, J. Capmany, and P. Mgret, “Transverse strain measrements sing the b
34、irefringence effect in fiber agg gratings,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 19, no. 13, pp. 966,2007. 29 Christophe Cacheter, Sbastien Bette, Marc Wilpart, Patrice Mgret, “Demodlation Techniqe for Transverse Strain FBG Sensor Based on the Measrement of the Polarization Properties”,OFS 18, TE34,200
35、6. 30 Yiping Wang, Ming Wang, Xiaoqin Hang et.al, “High sensitivity fiber agg grating transversal force sensor based on centroid measrement of polarization dependent loss”，Meas.Sci.Technology, (Accepted, in press) 2010. /TD /TR /TBODY /TABLE 1.22、本课题的研究内容、研究目标和拟解决的关键问题 / B【研究内容】 /B 系统全面地研究布拉格光纤光栅在制作
36、过程中引入的双折射导致的偏振相关特性，对PDL、DGD、DOP、偏振模色散（PMD）以及Stokes参量等偏振参数进行定性和定量的实验测量与分析，借助耦合模方程的解，按照非确定性方法，解析求得光纤光栅反射和出射端这些偏振参数的解析公式，并进行计算机仿真，探讨它们在横向应力及其它传感领域的应用。 理论和实验研究在外加横向应力作用下，应力致双折射效应对布拉格光纤光栅偏振特性的影响，通过弹性理论分析光纤光栅的受力状态，利用光纤光栅的应力传感模型分别得出光纤快慢轴的有效折射率及周期的变化，然后与已经建立的偏振参数解析公式相结合，得出布拉格光纤光栅偏振参数对外加横向应力的对应关系和响应模型，并以此理论模
37、型为指导，设计横向应力测量的实现方法。 理论和实验研究非均匀横向应力作用下，布拉格光纤光栅的分布式双折射效应对布拉格光纤光栅偏振特性的影响。通过将光栅分解为多段均匀的小光栅，在这种小尺度范围内可将非均匀应力同样看作均匀的，利用传输矩阵法正向推断光栅偏振参数的响应图形，同时利用模拟退火算法从被测的偏振参数中逆向还原出非均匀横向应力场，实现真正的分布式测量。 理论和实验研究利用布拉格光纤光栅的偏振参数测量横向应力的解调方案，实现对横向应力的快速准确解调，并确保该解调方案的可行性和实用性。 B【研究目标】 /B 本项目研究布拉格光纤光栅在制作过程中引入的双折射导致的偏振相关特性，对PDL、DGD、D
38、OP、PMD以及Stokes参量等偏振参数进行定性的分析并建立相应的物理模型。 本项目的主要目标在于研究基于光纤光栅偏振特性的横向应力传感理论及建立实现方法。研究布拉格光纤光栅的偏振参数随外加横向应力的变化关系和响应模型，优化和改进目前利用PDL最大值测量横向应力的基本解调方案，提高测量准确性和实用性，并能实现从被测的偏振参数中逆向还原出非均匀横向应力场分布的原貌，实现横向应力的分布式测量，以彻底解决当前布拉格光纤光栅难以用于横向应力测量这一技术难题。 B【拟解决的关键科学问题】 /B 目前布拉格光纤光栅在制作过程中引入的双折射导致的偏振特性及其在外加横向应力作用下导致的偏振特性均缺乏系统和深
39、入的研究，本项目将对布拉格光纤光栅在入射和出射端的PDL、DGD、DOP、PMD以及Stokes参量等偏振参数及其随横向应力的响应建立理论模型和并进行实验测量。 智能结构很容易在小尺度内受到非均匀的横向应力及梯度的影响，会产生分布式双折射效应，这对光纤光栅偏振特性的影响会与均匀横向应力情况很不相同，如何利用测得的偏振参数逆向还原出非均匀横向应力场，实现真正的分布式测量具有十分重要的意义。 解调技术是利用布拉格光纤光栅的偏振参数实现横向应力测量的又一个关键，光纤光栅传感器对轴向应力测量的解调方案已经基本成熟，但它们是从光纤光栅的反射光谱中还原出应力信息，与本方法利用光栅偏振参数完全不同。因此需要
40、专门的解调技术，借助于偏振测量仪并通过连接计算机分析和处理数据，以确保该解调方案的可行性和实用性。 1.33、本课题的特色和创新之处（与国内外类似研究比较） /A /B 光纤光栅的研究大多集中在其光谱特性方面，对其偏振特性以及传感方面的应用一直缺乏系统和深入的研究。本研究将从理论和实验上对布拉格光纤光栅固有的双折射所引入的PDL、DGD、PMD以及Stokes参量等偏振参数进行系统全面的分析和研究，这是本项目的创新之处。 光纤光栅传感器一直以来很难用于横向应力的测量，通常的方法是对其光谱进行分析和解调，但限于光纤光栅对横向应力的灵敏度太低以及测量精度不高等缺点使这一技术难题始终未能得到很好地解
41、决。光纤光栅的偏振特性所表现出的对横向应力的高敏感性使其在该领域具有很大潜力，将偏振参数用于横向应力的测量是本项目的第二个创新点。 非均匀横向应力场及梯度的检测一直是智能结构损伤检测里难以避免的问题，分析非均匀横向应力作用下光纤光栅偏振参数的变化并利用偏振参数，结合数值分析的方法实现分布式横向应力的测量，还原出结构的受力状态具有十分重要的意义，这是本项目的特色之三。 1.44、研究工作的预期成果、成果提交方式及专利生产情况 本项目研究均匀和非均匀横向应力作用下光纤光栅的PDL、DGD、PMD以及斯托克斯参量等偏振参数的响应机制，并建立理论模型，所得规律及研究结果将以论文形式在国内外学术刊物及国
42、际会议上发表。 本项目建立基于光纤光栅偏振特性的横向应力测量新方法，并提出解调技术实现快速准确的实时检测，为光纤光栅传感器长期以来难以测量横向应力提供一种新的解决方案，所得成果将在国内外学术期刊上发表，并申请专利。 项目研究预计发表高水平SCI论文3-5篇，核心论文若干，申请专利1-2 项。 二、研究方法与技术路线 2.11、拟采取的研究试验方法、步骤、技术路线及可行性、可靠性论证 B【实验方法、步骤及技术路线】 /B 本项目研究以理论为主，实验为辅，二者有机结合。 理论上， 系统地对光纤光栅在制作过程中不可避免的双折射所引起的PDL、DGD、DOP、PMD以及Stokes参量等偏振参数进行定
43、性和定量的分析。基本方法如下：PDL定义为当被测器件输入光的偏振态在所有可能的偏振态间扫描时，其最大和最小输出功率的比例，可借助耦合模方程求解出布拉格光纤光栅反射或透射光的功率，按照确定性方法推导出光纤光栅反射或透射端的PDL解析公式；DGD是由于光纤光栅的双折射造成两个正交偏振模传播常数的差异形成的时延差，通过对两个偏振模的反射或透射光的相移对角频率求导可分别获得它们的传输时延表达式，其差值的绝对值即为DGD；PMD定义为DGD的时域平均值，可借助DGD的结果得到；Stokes参量可通过分析x和y方向上的反射或透射光的电场分量Ex和Ey，通过定义推导出S0S3的表达式；DOP则可用求得的St
44、okes参量直接表示。 在此基础上，研究在外加横向应力作用下，应力致双折射效应对光纤光栅偏振特性的影响，通过固体力学的相关理论及有限元方法分析得出光纤光栅所受的应力分布状态，利用光纤光栅的应力传感模型分别求出光纤快慢轴的有效折射率及周期的变化，然后与已经确立的偏振参数解析公式相结合，得出光纤光栅各偏振参数与外加横向应力的对应关系和响应模型，通过计算机仿真直观地找出最适合用于横向应力测量的偏振参数并确定实现方法。进一步讨论在非均匀横向应力作用下，光纤光栅的分布式双折射效应对光纤光栅偏振特性的影响。通过将光栅分解为多段小光栅，在小光栅的尺度范围内可将非均匀应力视为均匀分布，利用传输矩阵法正向模拟出光栅偏振参数的响应图形，同时利用模拟退火算法从偏振参数中逆向还原出横向应力场。以上述理论分析为指导，设计出利用光纤光栅的偏振参数实现横向应力测量的