长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating-LPFG）的周期一般为几十至几百微米，表现为向前传输的纤芯模与同向传输的包层模之间的耦合，形成损耗型透射谐振光谱，是一种无背向散射的透射型光栅，与Bragg光纤光栅（Fiber BraggGrating-FBG）相比有很多独特的应用，可以用作掺铒光纤放大器的增益平坦器、带阻滤波器，尤其是LPFG对外界折射率变化非常灵敏，是一种非常理想的折射率传感元件。利用传统的紫外（UV）激光技术制备LPFG的技术非常成熟，而且也能得到光谱性能良好的LPFG，但传统的紫外激光技术制备LPFG却存在一些弊端，制备光栅之前不仅需要对光纤进行必需的增敏处理（如：高压载氢或纤芯重掺锗），而且制备出的LPFG温度稳定性差，即使在85℃的环境下也能观察到其折变量的退化。飞秒激光具有超短脉冲宽度和极高峰值功率（最高可达1021W/cm2），可广泛应用于透明介质材料的三维精细加工，制备光波导、F-P腔、光栅等高性能、微纳尺寸的光通信和传感器件。采用飞秒激光微纳加工技术制备LPFG作为近年来出现的一种新型光栅刻写技术，越来越受到人们的关注，而与传统的紫外激光刻写LPFG技术相比，优点在于不仅可以在非敏化的光纤（例如：纯石英纤芯光纤、光子晶体光纤和蓝宝石晶体光纤等）中刻写光栅，而且可以在复杂波导介质内部刻写光栅，且结构温度稳定性高，适于高温条件下工作。鉴于此，本论文开展了LPFG飞秒激光制备技术、工作机理和传感应用的研究，具体内容如下：首先，我们主要研究了飞秒激光与透明介质相互作用机理和材料相变机制，并对LPFG的基本原理做了简要研究，这为利用800nm红外飞秒激光制备LPFG奠定了理论基础。飞秒激光与熔融石英材料相互作用存在两种不同形式：非线性光致电离与雪崩电离。而非线性光致电离又分为多光子电离和隧道电离，每一种作用形式都有其不同的特点，我们通过与理论模型的对比与计算，证明了在本实验中利用800nm红外飞秒激光制备LPFG的主要作用形式是多光子电离。另外，也了解到飞秒激光与熔融石英这种宽禁带介质材料相互作用时形成的几种主要缺陷与损伤，这就是光致折射率改变的来源，也是形成LPFG的主要原因，对于LPFG的理论也做了一定的理论研究，掌握了LPFG的工作原理和设计方法。其次，利用飞秒激光制备出了高性能的LPFG结构，采用两种制备方法：一、采用振幅掩模法，利用柱透镜聚焦红外飞秒激光通过振幅掩模板刻写LPFG；二、采用激光扫描直写法，利用物镜聚焦红外飞秒激光直写LPFG。利用振幅掩模板技术只能制备与掩模板周期相同的LPFG，我们制备了周期为460μm的LPFG，对其进行轴向应力及温度的测试，得到其谐振波长随轴向应力增加的线性关系为： D lr es=-0.02446-0.99221e，其轴向应力灵敏度约为-0.99nm/N。利用振幅掩模法制备LPFG速度快、重复率高，但制备的LPFG温度稳定性差、周期固定改变困难，并且飞秒激光容易损坏掩模板，因此我们又进行了利用物镜聚焦直写LPFG的研制，其中利用60×油浸奥林巴斯物镜直写的方法制备出了周期为100μm的二阶衍射LPFG，其应力灵敏度为-3.13nm/N、温度灵敏度分别为-15.52pm/℃（20℃～500℃）和-37pm/℃（500℃～700℃），折射率灵敏度可以高达5265nm/RIU（1.433～1.443）。另外，对周期为100μm的LPFG进行了光谱的模拟，发现100μm的LPFG的透射谱谐振峰分别对应HE1,22&EH1,22、HE1,23&EH1,23、 HE1,24&EH1,24以及HE1,25&EH1,25高阶包层模与纤芯模耦合的二阶衍射，证明高的包层模阶数使LPFG具有高的折射率灵敏度。最后提出了一种新型微通道长周期光纤光栅（MCLPFG based onmicrochannels），具体方法是结合飞秒激光直写技术对光纤进行折射率改性与HF选择性腐蚀的方法，在普通的单模光纤中制备出周期性的微通道阵列，形成具有独特微通道结构的LPFG。制备MCLPFG主要分为两个步骤，首先是利用飞秒激光在单模光纤中制备所需要的贯穿整个光纤截面的直线型折变区域结构，此种方法并不会对LPFG的透射光谱产生影响，然后将飞秒激光作用后的光纤置于4%的HF溶液中，随着HF的腐蚀，经过飞秒激光作用后的区域腐蚀速度要远远快于未作用区域的腐蚀速度，光纤的透射谱会逐渐变化，这样我们就可以通过控制HF的腐蚀时间来控制MCLPFG的透射光谱。MCLPFG的扫描电镜照片表明微通道贯穿整个光纤截面，微通道宽度约为5μm。将制备好的MCLPFG进行传感方面的测试，发现其透射谱随应力以及折射率变化有着很好的响应，而且可以通过同时监控谐振波长以及谐振峰值来测量轴向应力以及外界折射率。