基于四层光纤模型, 采用数值模拟方法, 研究了镀膜长周期光纤光栅的膜层折射率及厚度等参数对其传输谱特性的影响。结果表明, 随膜厚增加, 各包层模式有效折射率增大, 谐振波长向短波区漂移。当膜厚达到一定数值后, 有效折射率及谐振波长急剧变化, 长周期光纤光栅频谱出现模式转换现象, 模式跳变转折点对应最优薄膜厚度, 不同薄膜介质对应不同的最优膜厚, 研究对提高长周期光纤光栅传感器的敏感度具有重要的指导意义。

依据包层模有效折射率的概念及包层模场的光功率密度分布, 重新审视了镀膜长周期光纤光栅“模式转换”现象, 对“模式转换”给出了新的物理图像.通过修正镀膜长周期光纤光栅包层模有效折射率的范围, 指出有效折射率呈现的台阶式增长是各次包层模自身属性的反映, 不存在高次模式替代低次模式的过程, 并将“模式转换区”重命名为“模式垒区”.通过分析包层模场的光功率密度分布, 指出“模式转换区”较低次包层模式进入薄膜层传输说法的不合理性.研究表明, 当薄膜厚度达到一定厚度时, 包层模场光功率分布将愈加集中在薄膜层内部, 但并非沿着薄膜层传输.讨论了镀膜长周期光纤光栅传感器薄膜参数优化的问题, 在修正的包层模有效折射率范围和未修正的包层模有效折射率范围的情况下分别进行优化, 并对优化结果进行比较, 结果表明两种情况下的优化结果存在较大的偏差.从机理上解释了修正薄层模有效折射率范围后的优化结果的正确性, 为设计高灵敏镀膜长周期光纤光栅传感器提供了新的理论指导.

基于耦合模理论, 首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换, 划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。 分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性, 包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。 在此基础上, 研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况, 结果表明, 相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区, 包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。 最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应, 进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案, 当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内, 光栅周期靠近相位匹配转折点时, 将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径, 将进一步提高传感器的分辨本领。

基于耦合模理论，研究了镀金属两层膜系长周期光纤光栅（LPFG）的模式转换及其折射率响应特性。从表面等离子体共振(SPR)的激励条件和模式转换发生条件出发，指出镀金属两层膜系LPFG中的SPR和模式转换不会同时发生，在此基础上分析了镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率随敏感薄膜厚度的变化，发现镀金属两层膜系LPFG的模式转换区域比镀膜LPFG的转换区域要宽，且模式转换区域内第一次转换时的有效折射率变化斜率比镀膜LPFG的大，意味着在该区域其对敏感膜层的变化有更高的响应。考察了金属薄膜厚度对镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率的影响，结果表明，随着金属薄膜厚度的增加，第一次转换时有效折射率的变化斜率逐渐增加。分析了第一次转换时镀金属两层膜系LPFG透射谱对敏感薄膜折射率变化的响应特性，结果表明，镀金属两层膜系LPFG传感器对敏感薄膜折射率的灵敏度明显高于镀膜LPFG，对敏感薄膜折射率的灵敏度的分辨率可达10-6。

基于耦合模理论，根据镀膜长周期光纤光栅（LPFG）包层模有效折射率随膜层参数的变化，指出了模式转换区的划分及特点，考察了模式转换区及其附近LPFG透射谱折射率的响应特性。从传感器设计角度，进一步针对波长偏移和透射率两种检测类型，给出了两类灵敏度的定义，讨论了模式转换区及其附近灵敏度随薄膜参数与光栅参数变化的关系，通过优化设计，给出了高灵敏度对应的最佳设计参数带及区域。结果表明，选择合适的膜层参数与光栅参数，利用波长偏移和透射率两种检测方法，该传感器对薄膜折射率的分辨率均可达10-7以上，且模式转换区适合于制作波长偏移型的传感器，模式转换区附近则适合用于制作透射率型传感器。

基于耦合模理论，研究了镀吸收型薄膜长周期光纤光栅（LPFG）的模式转换及其折射率响应特性。讨论了镀膜LPFG包层模有效折射率随薄膜厚度的响应特性，从模场分布和波导传输本质上统一了模式转换与模式跳变两种表述。在此基础上分析了镀吸收型薄膜情形下LPFG包层模有效折射率实部与虚部随膜厚及薄膜折射率的变化，给出并解释了高阶和低阶包层模发生的一步、二步模式转换情况，进一步考察了薄膜消光系数对模式转换区域的影响。结果表明，薄膜消光系数对模式转换区域变化的影响很小。最后研究了转换区及其附近区域的镀吸收型膜LPFG透射谱的折射率响应特性，发现靠近模式转换区相较于模式转换区，LPFG对薄膜折射率分辨率高出近一个数量级，而模式转换区域采用简易的透射率相对变化进行检测，对薄膜折射率的分辨率也高达10-5以上。

镀膜长周期光纤光栅传感器是目前光纤光栅传感研究的一个热点,但关于此类传感器模型的全面的理论分析目前还很少。本文基于严格的四层模型,从理论上对芯层折射率调制为矩形波调制的薄膜长周期光纤光栅的特性进行了详细的分析。在充分考虑材料色散对光纤芯层和包层的影响后,对薄膜参数、占空比和环境折射率的变化对镀膜长周期光纤光栅的谱特性的影响进行了数值研究。研究结果表明,薄膜参数对透射谱有重要影响,合理设计薄膜厚度可以获得较佳的损耗峰。研究还发现,镀膜后占空比对透射谱的影响减小,而对环境折射率变化的敏感度增加。在占空比为0.5时光栅具有最大的损耗峰值。