为了探索一种高灵敏折射率传感器，基于CO₂激光技术制备出双峰谐振长周期光纤光栅（LPFG）。首先，利用CO₂激光器在腐蚀包层后的传统单模光纤和80 μm弯曲不敏感光纤上制备出周期分别为196 μm和73 μm的双峰谐振LPFG，证明了采用CO₂激光微加工技术在单模光纤上制备短周期LPFG的可能性。其次，利用CO₂激光器直接在2种80 μm单模光纤上制备出周期分别为110 μm和115 μm的双峰谐振LPFG。实验结果表明：在2种80 μm单模光纤上制备的LPFG具有谐振损耗大，插入损耗小和折射率灵敏度高等优点。基于以上优点，采用CO₂激光技术制备的双峰谐振LPFG在生物、化学及环境参数检测等重要领域的应用具有较大潜力。同时，也提供了一种操作简单、低成本制备双峰谐振LPFG的方法。

1.7 μm激光处于眼安全波段并位于许多重要气体分子的指纹吸收峰，在生物医疗、气体传感等领域具有重要应用价值。而涡旋光束作为一种新兴的结构光场，其具有环形光强分布和螺旋相位波前，并携带轨道角动量，在光通信、微粒操控等领域应用广泛。因此发展1.7 μm高能涡旋激光器具有重要的研究价值和应用前景。但传统稀土离子掺杂光纤或晶体的发射谱，或难以覆盖该波段，或在该波段激光增益较小，且涡旋光产生主要基于空间光结构，导致1.7 μm波段涡旋光激光系统复杂、集成度低，难以实现高功率输出。本文利用螺旋长周期光纤光栅作为涡旋模式转换器，在基于受激拉曼散射效应的1.7 μm波段光纤随机激光半开放腔中实现了全光纤结构的高功率涡旋激光输出，最大输出功率为2.09 W，中心波长为1690 nm。得益于涡旋光纤随机激光器的全光纤结构，该装置具有良好的时域稳定性，短时时域波动低至2.8%。该研究结果不仅为实现兼具高功率输出和良好时域稳定性的紧凑型1.7 μm波段涡旋激光器提供有效方案，还能进一步拓展其在激光医疗、气体检测、光镊和生物成像等领域的应用。

本文从局域耦合模理论出发，对基于CO₂激光器刻写的强调制少模长周期光纤光栅建立模型，实现了少模光栅调制区域纤芯传导模式间的耦合过程分析。该模型通过引入非对称与角向折射率调制，表征了光栅调制中较强且呈角向的折射率变化，从而获得了更准确的模式耦合系数及传播常数；将模式耦合系数及传播常数代入基模与三阶角向模式之间的耦合方程进行求解，实现了对光栅传输谱的仿真，且仿真结果与实验结果相匹配。最后，通过改变光栅模型的参数（光栅周期、周期数、调制深度），研究了传输谱的变化规律，为设计与制作更高阶模式的强调制少模长周期光纤光栅提供了参考。相比于其他模型，该模型能更准确地分析基于局部高强度激光照射、热处理的强调制长周期光纤光栅的传输谱特性。

长周期光纤光栅作为一种重要的光无源器件，与所有光纤传感器一样具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、体积小、与光纤系统兼容等优点，在光纤传感与光纤通信领域都有广泛的应用。本文对长周期光纤光栅的模式耦合原理、理论分析方法、光栅制备技术及其在光纤传感与光纤通信领域的主要应用进行了总结分析，其中制备技术主要总结了激光制备技术（包括紫外激光、二氧化碳激光、飞秒激光制备技术）与非激光制备技术（包括电弧放电、机械微弯、包层腐蚀、熔融拉锥、离子注入、超声调制技术），分别介绍了长周期光纤光栅在温度、应变、弯曲、扭转和环境折射率、生化传感等方面的应用，对于光纤通信领域的应用则侧重于全光纤滤波器、模式转换器、起偏器、模式耦合器等方面。本文是按照教程论文的形式撰写的，旨在为相关领域的学生、科研工作者提供一个系统的介绍。

为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。

结合笼形分子（Cryptophane-E）对甲烷气体的选择性吸收特性，提出了一种基于双层薄膜的高灵敏度长周期光纤光栅（LPFG）甲烷体积分数传感器。通过减小包层直径使低阶包层模式LP₀₆工作在色散转折点（DTP）附近，并在光纤表面涂覆厚度经过优化的TiO₂薄膜，以确保包层模式LP₀₆在模式转换（MT）区内与纤芯模式LP₀₁耦合，从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。由于甲烷气体分子会改变最外层Cryptophane-E薄膜的材料折射率，进而改变包层模式的有效折射率，因此通过监测共振波长的移动即可实现对甲烷气体体积分数的测量。在DTP和MT效应的共同作用下，当甲烷气体体积分数从0%变化到3.5%时，所提的LPFG传感器平均灵敏度高达249.6 nm/%。此外，针对本传感器在不同甲烷体积分数下的非线性响应特征，设计了反向传播（BP）神经网络信号解调算法。研究结果表明：在甲烷气体体积分数变化范围内，其最大预测误差为0.008%，该传感器良好的性能使其在煤矿安全监测等领域具有潜在的应用价值。

针对现有光纤传感器测量温度、磁场强度时灵敏度较低的问题, 提出了一种基于光信号的光纤温度磁场传感器。传感器以长周期光纤光栅(LPFG)级联光纤布喇格光栅(FBG)作为传感结构, 以磁流体作为磁性敏感材料, 采用HF溶液腐蚀光纤包层来提高灵敏度。首先介绍了传感器实现温度和磁场强度的双参量测量原理, 然后利用Optigrating仿真软件对LPFG-FBG传感单元进行模拟仿真, 最后根据仿真结果制作传感器并搭建实验环境进行温度和磁场强度的测量实验。实验结果表明: 当温度为35~85 ℃时, 传感器的温度灵敏度为85.7 pm/℃; 当磁场强度为4~20 mT时, 磁场强度灵敏度为65 pm/mT, 且稳定性良好。

提出一种基于双长周期光纤光栅(LPFG）的边孔光纤微流传感器。该边孔光纤(SHF）内有2个空气孔, 是天然的微流体通道, 该微流传感器可进行温度补偿。利用CO2激光器在边孔光纤上写入双LPFG, 其共振波长分别为1 268.7 nm和1 385.8 nm。实验结果表明, 当传感器置于折射率1.335~1.395的甘油水溶液中, 2个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU, 温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃, 利用折射率和温度灵敏度可推导出传感器的传感矩阵。该文所提出的带有温度补偿的微流传感器具有良好的线性响应度, 可实现折射率和温度的同时测量, 在环境监测和食品安全领域有潜在价值。

光纤磁场传感器具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀以及抗电磁干扰等优点，弥补了传统磁场传感器的不足，在**、工业、电网等多个领域发挥着重要作用。使用二氧化碳激光器分别在标准通信单模光纤和光敏光纤上制备了两种类型的长周期光纤光栅（LPFG），将LPFG浸入磁流体中制备磁场传感器。当施加外部磁场时，LPFG的谐振波长会发生偏移。当磁场强度在1.6~25.5 mT范围内变化时，可达到的最大磁场灵敏度为126.5 pm/mT。该传感器在磁场或电场系统中具有潜在的应用。