CN101539644A - 一种光纤光栅的制作方法及使用该光纤光栅的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅传感器，包括：宽带光源，用于给光谱采集模块提供光源；光子晶体光纤，其两端通过单模光纤与所述宽带光源和光谱采集模块相连，设有用于感应待测物弯曲变形的非对称长周期光纤光栅；所述光谱采集模块，用于采集所述弯曲变形的信息；数据处理模块，用于对所采集的弯曲变形的信息进行分析和处理，最终获得弯曲变形的曲率大小和弯曲方向。本发明能够同时测量曲率大小和正负方向。

Description

一种光纤光栅的制作方法及使用该光纤光栅的传感器

技术领域

本发明涉及传感技术，具体涉及一种在光子晶体光纤中，可同时测量一维弯曲的曲率大小和弯曲方向的光纤光栅传感器。

背景技术

近年来，光子晶体光纤引起人们广泛的关注，与传统光纤不同，光子晶体光纤仅由一种材料(通常是纯石英)构成。这种光纤的截面由三部分构成：纤芯、内包层、外包层。纤芯和外包层均由纯石英构成，内包层在纯石英基底上引入规则排布的空气孔阵列，其中每个空气孔的大小、相邻空气孔的间距均相同，空气孔直径d、间距Λ一般为几个微米。多个空气孔按三角形阵列排布，空气孔阵列一般呈高度的对称性。纤芯可认为是这个空气孔阵列当中通过缺失一个孔而引入的缺陷。光纤截面结构在光纤轴向上保持不变。

由于大量空气孔的引入，内包层的平均折射率低于纯石英。因此，光子晶体光纤可以依靠纯石英纤芯与内包层构成的折射率梯度将光限制在纤芯当中。而外包层仅起支撑结构和保护的作用。当工作波长在1550nm附近时，要求当空气孔直径与间距之比d/Λ＜0.55，以保证光纤单模传输，即只支持基模(LP₀₁模)的传导。当空气孔直径与间距之比d/Λ＜0.45时，光纤在任何波长上都只支持单模传输。

利用光子晶体光纤特殊的结构特点，可通过一些特别的手段制作出新型的光纤器件。如在光纤内包层的空气孔中填充温度敏感材料、液晶等具有某种光学特性的液体，或利用高能量的激光脉冲使光纤内的一些空气孔发生塌陷等。光子晶体光纤技术的出现，为新型光纤器件的研制提供了广阔的平台。

由于光子晶体光纤由纯石英构成，不具备对紫外光的光敏性，在这种光纤中制作长周期光栅只能采用CO₂激光器、电弧放电等方法，利用热效应改变石英材料内部的化学结构或波导几何结构，从而实现材料折射率的调制。

长周期光纤光栅是一种无源光纤器件，它是通过紫外照射、电弧放电、激光热效应等方法，沿光纤轴向构成的周期性几何结构变化或折射率调制。这种光纤光栅将某一特定波长(称为谐振波长)的光耦合到光纤包层当中并损耗掉，从而在透射光谱当中观察到对应的损耗峰。长周期光纤光栅是一种性能优良的光纤传感器，当光栅受到外界温度改变、应力应变、扭转、弯曲等作用时，谐振波长随之发生变化。通过光谱分析仪或其他仪器对波长漂移量进行检测，即可获得外界作用的信息。

长周期光纤光栅的谐振波长由公式(1)决定：

λ_LPG＝(n_co-n_cl)·Λ_LPG    (1)

其中n_co、n_cl分别为光纤基模(传导模式)和包层模式的有效折射率，Λ_LPG为光纤光栅的周期。也就是说，当外界作用改变这三个参数当中的任何一个时，谐振波长就会改变。

当长周期光纤光栅发生弯曲时，n_co、Λ_LPG两个参数基本保持不变，而包层模式的有效折射率n_cl发生改变，光纤光栅的谐振波长随之发生漂移。通过检测波长漂移量，可得到弯曲曲率的大小。光纤光栅弯曲传感器可用于监测建筑构件和智能结构的形变，在工程测量当中具有重要意义。然而，传统的光纤光栅具有圆对称结构，光栅沿着任何一个方向弯曲时，其响应(谐振波长漂移状况)都基本相同。这一特性使传统的光纤光栅无法满足同时测量弯曲曲率大小和分辨弯曲方向的实际工程需要。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明的目的就在于提供一种光纤光栅的制作方法及使用该光纤光栅的传感器。

为实现上述目的，本发明的技术方案是采用一种光纤光栅的制作方法，该方法包括：

S1、将光子晶体光栅置于已聚焦的激光器激光光斑的焦平面；

S2、利用所述激光光斑，按预定设置多次横向扫描所述光子晶体光栅；

S3、制作具有周期性折射率调制和结构变化的非对称长周期光纤光栅。

一种光纤光栅传感器，包括：

宽带光源，用于给光谱采集模块提供光源；

光子晶体光纤，其两端通过单模光纤与所述宽带光源和光谱采集模块相连，用于感应待测物的弯曲变形；

所述光谱采集模块，用于采集所述弯曲变形的信息；

数据处理模块，用于对所采集的弯曲变形的信息进行分析和处理，最终获得弯曲变形的曲率大小和弯曲方向，

在所述光子晶体光纤中设有按照如上所述的方法制成的非对称长周期光纤光栅。

其中，所述光子晶体光纤由单一的纯石英材料制成，其截面包括：

外包层；

内包层，设于所述外包层的内侧，设有空气孔阵列，所述空气孔阵列为四层或四层以上呈三角形阵列规则排布的空气孔；

纤芯，所述空气孔阵列缺失一个空气孔而形成。

其中，所述空气孔的直径与间距之比小于0.55。

其中，所述非对称长周期光纤光栅，由于所述空气孔的塌陷而在所述光子晶体光纤的外表面形成凹槽。

其中，使用时所述凹槽面向或背向待测物的外表面。

其中，还包括毛细管，其内径与所述非对称长周期光纤光栅的外径相同。

本发明的优点和有益效果在于，能够同时测量曲率大小和正负方向。

附图说明

图1是本发明所采用的光子晶体光纤截面结构示意图；

图2是利用CO₂激光器在光子晶体光纤中制作非对称长周期光纤光栅的装置示意图；

图3是光子晶体光纤中的非对称长周期光栅的结构示意图；

图4(a)、(b)是传感器工作原理示意图；

图5(a)、(b)分别为激光脉冲作用在光纤表面前后的截面结构图；

图5(c)为光纤表面在激光脉冲作用之后留下的“凹槽”的示意图；

图6是实际测得的谐振波长随着延凹槽方向的一维弯曲的变化关系；

图7是本发明的方向弯曲传感器的一个应用实例的图。

图中：100、截面；101、纤芯；102、内包层；103、外包层；104、空气孔；201、CO₂激光器；202、光子晶体光纤；203、光纤夹具；204、单模光纤；205、宽带光源；206、数据采集模块；301、凹槽；701、光子晶体光纤；702、非对称长周期光纤光栅；703、单模光纤；704、宽带光源；705、光谱分析仪；706、数据处理模块；707、待测结构；708、毛细管。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，选取目前已商用化的无尽单模光子晶体光纤100，该光纤仅由单一的纯石英材料制成。光纤截面具有四层或以上规则排布的空气孔，其截面延光纤轴向不发生变化。光子晶体光纤100由三部分组成：纤芯101、内包层102、以及外包层103。其中，纤芯101与外包层103由纯石英构成；内包层102包含规则排布的空气孔阵列，由于空气孔的引入，其平均折射率低于纯石英。光子晶体光纤100依靠纤芯101与内包层102的折射率差实现光的传导，将基模(LP₀₁模)限制在石英纤芯101中。空气孔直径为d，间距为Λ，当工作波长在1550nm附近时，要求d/Λ＜0.55，以使光纤满足单模传输条件。如果d/Λ＜0.45，光纤在任何波长只支持单模传输。

如图2所示，光子晶体光纤中的非对称长周期光栅采用CO₂激光器201加工而成。CO₂激光器通过内部扫描阵镜的控制，可以使聚焦的激光光束按照预先设置在焦平面内进行扫描。光子晶体光纤202置于激光器光斑的焦平面上，光纤两端分别被光纤夹具203固定。激光器工作时，光斑沿垂直于光纤的方向横扫过光纤，并通过热效应在光纤内部造成孔的塌陷和材料折射率的改变，接着，光斑在下一个点重复这样的扫描过程，该点与上一扫描点的距离为P......如此重复N次，完成整个扫描过程。这样就制成一根周期为P、包含N个周期的非对称长周期光纤光栅。光子晶体光纤通过传统的单模光纤204分别与宽带光源205和光谱采集模块206连接，以观察光栅谐振峰的生长情况。

图3中，303是光子晶体光纤A-A线的截面，302是B-B线的截面，如图3所示，在扫描过程中，激光的热效应不仅造成局部的折射率改变，还引起光纤的几何形状的改变，包括表面上形成明显的凹槽301和两行空气孔的塌陷和变形。因此，在扫描点处的光纤截面302上，内包层具有非对称结构。

如图4所示，当该光纤光栅朝向凹槽方向弯曲时，谐振波长向长波方向发生漂移，谐振波长量随曲率线性增加；当背向凹槽方向弯曲时，谐振波长向短波方向发生漂移，谐振波长量随曲率线性减小，且变化的灵敏度与朝向凹槽方向弯曲时相同。若分别将背向和朝向凹槽方向弯曲认为是这个一维弯曲方向的正、负方向，则谐振波长与弯曲曲率的变化关系可表示为λ＝λ₀+k×C。其中λ₀为光纤光栅处于自由状态时的谐振波长，λ为在施加一定弯曲C时的谐振波长，k为弯曲灵敏度。当对光纤光栅施加一沿着凹槽的弯曲时，可通过测量谐振波长λ的值，同时得到曲率大小和正负方向。

实施例1

如图5所示，本发明的实施例1所使用的光子晶体光纤是Crystal-FiberA/S的LMA10光纤，其截面如图5a所示，它是由纯石英构成，是采用“堆砌-拉制”法制成的。光纤含四层空气孔，空气孔按照三角形阵列规则排布。空气孔直径3.5μm，空气孔间距为7.8μm。由于空气孔直径与间距之比小于0.45，因此，光纤在任何波长上都只支持单模传输。长周期光纤光栅702是采用CO₂激光器在光子晶体光纤中制作而成。激光脉冲的能量参数及扫描轨迹均有计算机进行控制。CO₂激光器的重复频率为1000Hz，平均输出功率是0.1W，Q开关时间为4.2μs。激光光斑扫描速度为3.2mm/s。光纤光栅702周期为420μm，包含10个周期，长度为10×420μm＝4.2mm。光纤光栅的制作过程中采用宽带光源和光谱分析仪进行实时监测，CO₂激光器经过4次完整的扫描，光栅谐振峰深度达到25dB，整个光纤光栅601的制作过程完成。如图5b和图5c所示，经过激光脉冲的扫描过程，光纤表面形成了明显的凹槽状“凹槽”，凹槽深度约为13μm，宽度约为70μm。光子晶体光纤内包层中有两行外层空气孔塌陷，从而形成非对称形状的内包层。

图6所示为光纤光栅的谐振波长随着沿凹槽方向弯曲的变化关系的测量结果。谐振波长基本上随着弯曲线性变化，经过直线拟合，得到谐振波长与曲率的关系为λ(nm)＝1530.25(nm)+2.26(nm/mm-1)×C(mm-1)。在实际测量中，通过对谐振波长的测量，即可得到外界曲率C(mm-1)＝(λnm-1530.25nm)/2.26(nm/mm-1)。C的绝对值为所施加曲率的大小，C值的正、负号，分别表示弯曲的方向是背向凹槽和朝向凹槽。

图7所示的是测量结构弯曲状况的一个例子。在光子晶体光纤701中制作的长周期光栅702通过单模光纤703分别与宽带光源704和光谱分析仪705相连。数据处理模块706将光谱分析仪705采集的光谱信息进行分析和处理，并最终得到光纤光栅702所感测到的弯曲曲率大小和正负方向。

在实际测量时，首先将光纤光栅702套在塑料毛细管708中，再将毛细管用胶粘剂粘贴在悬臂梁707的表面上。毛细管708内壁光滑，内壁直径与光纤光栅702外径相同，以保证光纤光栅702只受到纯弯曲的作用。若光纤光栅702的表面凹槽朝上，当悬臂梁朝上弯曲时，光纤光栅朝向凹槽方向弯曲，谐振波长向长波方向漂移；当悬臂梁朝下弯曲时，光纤光栅702背向凹槽方向弯曲，谐振波长向短波方向漂移。若光纤光栅702的表面凹槽朝下，当悬臂梁朝上弯曲时，光纤光栅背向凹槽方向弯曲，谐振波长向短波方向漂移；当悬臂梁朝下弯曲时，光纤光栅602朝向凹槽方向弯曲，谐振波长向长波方向漂移。由于光纤光栅702长度非常小，弯曲的测量值仅代表其所贴附位置的弯曲和形变情况。如果在一个大型结构表面布置多个这种光纤传感器，可全面反映待测结构的形变情况。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1、一种光纤光栅的制作方法，其特征在于，该方法包括：

S1、将光子晶体光栅置于已聚焦的激光器激光光斑的焦平面；

S2、利用所述激光光斑，按预定设置多次横向扫描所述光子晶体光栅；

S3、制作具有周期性折射率调制和结构变化的非对称长周期光纤光栅。

2、一种光纤光栅传感器，包括：

宽带光源，用于给光谱采集模块提供光源；

光子晶体光纤，其两端通过单模光纤与所述宽带光源和光谱采集模块相连，用于感应待测物的弯曲变形；

所述光谱采集模块，用于采集所述弯曲变形的信息；

数据处理模块，用于对所采集的弯曲变形的信息进行分析和处理，最终获得弯曲变形的曲率大小和弯曲方向，

其特征在于，在所述光子晶体光纤中设有按照权利要求1所述的方法制成的非对称长周期光纤光栅。

3、如权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤由单一的纯石英材料制成，其截面包括：

外包层；

内包层，设于所述外包层的内侧，设有空气孔阵列，所述空气孔阵列为四层或四层以上呈三角形阵列规则排布的空气孔；

纤芯，所述空气孔阵列缺失一个空气孔而形成。

4、如权利要求3所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述空气孔的直径与间距之比小于0.55。

5、如权利要求3所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述非对称长周期光纤光栅，由于所述空气孔的塌陷而在所述光子晶体光纤的外表面形成凹槽。

6、如权利要求5所述的光纤光栅传感器，其特征在于，使用时所述凹槽面向或背向待测物的外表面。

7、如权利要求2～6中的任一项所述的光纤光栅传感器，其特征在于，还包括毛细管，其内径与所述非对称长周期光纤光栅的外径相同。

Images