CN102466528A - 测量折射率和温度的方法和光纤传感器及相应的制造方法 - Google Patents

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廖常锐
杨民蔚
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Abstract

本发明涉及一种测量折射率和温度的方法，其中包括步骤：在单模光纤的纤芯内制作光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻多个微孔；将所述光纤光栅浸入被测量的物质中；通过测量所述光纤光栅的谐振波长的偏移计算出所述被测量的物质的温度；通过测量由所述微孔造成的谐振峰的强度计算出所述被测量的物质的折射率。本发明还涉及一种相应的光纤传感器和同时测量折射率和温度的测量装置以及光纤传感器的制造方法。本发明的测量折射率和温度的方法和光纤传感器及相应的制造方法只通过分析光纤光栅的透射光谱即可对温度和折射率同时进行测量，并且装置制造简单方便，避免了测量折射率和温度的光纤传感器需要同时测量两个特征波长，解调系统比较复杂的缺陷。

Description

测量折射率和温度的方法和光纤传感器及相应的制造方法
技术领域
本发明涉及光学测量领域，更具体地说，涉及一种同时测量折射率和温度的方法和光纤传感器及相应的制造方法。
背景技术
光纤实时折射率传感器由于光纤具有的小巧、操作方便、成本低廉以及许多其他的优势吸引了人们在生物、化学以及环境等领域的应用。但是，大部分需要测量的液体都是对温度很敏感的，这就使得温度交叉敏感导致准确的确定这些液体的折射率非常困难。因此有必要开发一种同时测量温度和折射率的设备。各种各样的光纤传感器为了这个目的应运而生，包括取样光纤布拉格光栅、光纤光栅和长周期光纤光栅的混合结构、级联长周期光纤光栅、倾斜光纤光栅以及光纤干涉仪等等。一般而言，这些传感器通过同时检测两个特征波长确定温度和折射率这两个属性，并且相应的解调系统也是很复杂的。解调系统通常包含导致非常复杂的敏感度矩阵(例如在不同的折射率范围内具有不同的矩阵系数，或者矩阵需要通过某种特有的多项式来表示)，非线性的折射率响应和自动实时测量方面的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的测量折射率和温度的光纤传感器需要同时测量两个特征波长，解调系统比较复杂的缺陷，提供一种只通过分析光纤光栅的透射光谱即可对温度和折射率同时进行测量，并且装置制造简单方便的测量折射率和温度的方法和光纤传感器及相应的制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种测量折射率和温度的方法，其中包括步骤：S1、在单模光纤的纤芯内制作光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻多个微孔；S2、将所述光纤光栅浸入被测量的物质中；S3、通过测量所述光纤光栅的谐振波长的偏移计算出所述被测量的物质的温度；通过测量由所述微孔造成的谐振峰的强度计算出所述被测量的物质的折射率。
本发明还构造一种光纤传感器，包括单模光纤，其中，在所述单模光纤的纤芯内设置有光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻有多个微孔。
在本发明的光纤传感器中，在所述光纤光栅钻刻有8个所述微孔，所述微孔与所述纤芯中心的距离大于4微米，所述微孔之间的间距为500微米。
本发明还构造一种采用上述光纤传感器的同时测量折射率和温度的测量装置。
本发明还构造一种光纤传感器的制造方法，其中包括步骤：S1、在单模光纤的纤芯内制作光纤光栅；S2、在所述光纤光栅上钻刻多个微孔。
在本发明的光纤传感器的制造方法中，在所述光纤光栅钻刻有8个所述微孔，所述微孔与所述纤芯中心的距离大于4微米，所述微孔之间的间距为500微米。
在本发明的光纤传感器的制造方法中，所述步骤S2包括：S21、将所述单模光纤放置在三维移动平台上，飞秒激光脉冲通过放大镜聚焦在所述光纤光栅上钻刻多个微孔；S22、使用异丙醇清洗所述微孔。
在本发明的光纤传感器的制造方法中，所述飞秒激光脉冲波长为800nm，脉冲宽度为120fs，脉冲能量为10uJ，频率为1000Hz，照射时间为60s；所述放大镜为数值孔径为0.5、能量耦合效率为0.8、工作距离为2.1mm的20倍物镜。
在本发明的光纤传感器的制造方法中，在步骤S21中，钻刻的第一个微孔位于所述光纤光栅的边缘。
实施本发明的测量折射率和温度的方法和光纤传感器以及相应的测量装置，具有以下有益效果：只通过分析光纤光栅的谐振波长即可对温度和折射率同时进行测量，并且装置制造简单方便。
微孔和纤芯的设定间距以及微孔的间距保证了微孔可以起到很好的改变谐振峰强度的作用而不会引入太多的插入损耗。
本发明的光纤传感器的制造方法可以重复性高的实现微孔的钻刻，同时钻孔的位置防止对光纤纤芯和光纤光栅的周期性结构造成较大的破坏。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的测量折射率和温度的方法的优选实施例的流程图；
图2A为本发明的光纤传感器的优选实施例的表面形态俯视图(聚焦在光纤包层表面上)；
图2B为图2A的AA处的截面图；
图2C为图2A的BB处的截面图；
图2D为本发明的光纤传感器的优选实施例的表面形态俯视图(聚焦在光纤纤芯上)；
图3A为没有微孔的光纤光栅(实线)和具有微孔的光纤光栅(点线)的优选实施例S1的透射光谱图；
图3B为没有微孔的光纤光栅(实线)和具有微孔的光纤光栅(点线)的优选实施例S2的透射光谱图；
图4A为本发明的光纤传感器的优选实施例的光纤光栅的谐振峰强度随外部折射率变化的变化示意图；
图4B为本发明的光纤传感器的优选实施例的不同折射率液体的透射光谱的光谱强度图；
图4C为本发明的光纤传感器的优选实施例的光纤光栅的谐振波长随温度变化的变化示意图；
图5A为本发明的光纤传感器的优选实施例的光纤光栅的谐振峰强度随外部折射率变化的变化示意图(圆圈代表测量值，实线代表计算值)；
图5B为本发明的光纤传感器的优选实施例的光纤光栅的光纤光栅的谐振波长随温度变化的变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，在本发明的测量折射率和温度的方法的优选实施例的流程图中，所述测量折射率和温度的方法开始于步骤100，随后，到下一步骤101，在单模光纤的纤芯内制作光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻多个微孔；随后，到下一步骤102，将所述光纤光栅浸入被测量的物质中；随后，到下一步骤103，通过测量所述光纤光栅的谐振波长的偏移计算出所述被测量的物质的温度；通过测量由所述微孔造成的谐振峰的强度计算出所述被测量的物质的折射率。最后该方法结束于步骤104。采用该同时测量折射率和温度的方法，只通过分析光纤光栅的透射光谱即可对温度和折射率同时进行测量，并且装置制造简单方便，避免了测量折射率和温度的光纤传感器需要同时测量两个特征波长，解调系统比较复杂的缺陷。
本发明还构造一种光纤传感器以及使用该光纤传感器的测量装置，所述光纤传感器，包括单模光纤，其中在所述单模光纤的纤芯内设置有光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻有多个微孔。在所述光纤光栅钻刻有8个微孔，所述微孔与所述纤芯中心的距离大于4微米，所述微孔之间的间距为500微米。该光纤传感器在光纤光栅位置设置一定数量的微孔，帮助耦合光纤纤芯的光以改变光纤光栅的谐振峰的强度。因为微孔很难破坏光纤光栅的周期性结构，温度的改变可以通过光纤光栅的谐振波长的偏移确定。因此通过分别测量光纤光栅的谐振波长的偏移和谐振峰的强度就能独立进行折射率和温度的测量。
本发明还涉及一种光纤传感器的制造方法，制作时，将单模光纤固定在三维移动平台上，通过使用飞秒激光在单模光纤上制作光纤光栅，使用宽带光源和光谱分析仪观察制作时的透射光谱。然后使用飞秒激光脉冲通过放大镜聚焦在所述光纤光栅上钻刻多个微孔，飞秒激光脉冲(中心波长800nm，脉冲宽度120fs，频率1kHz)通过一个20倍物镜(数值孔径为0.5，能量耦合效率为0.8，工作距离为2.1mm)被聚焦在单模光纤的覆层表面，脉冲能量被设置在10uJ，照射时间为60s。这些参数在钻孔时保持不变以确保具有较好的钻孔重复性。焦点设置在距离光纤纤芯中心4um处，使得钻刻的微孔与纤芯中心的距离大于4um，第一个孔位于光栅边缘防止对光纤纤芯和光纤光栅的周期性结构造成较大的破坏。一共钻8个微孔，孔间距为500um，钻孔完成后用异丙醇清洗所述微孔。这里采用的光纤光栅为Type II型光纤光栅，Type II型光纤光栅具有与Type I型光纤光栅(一般在载氢光纤或光敏光纤中写入)不同的光栅写入机理。多光子和雪崩离子化导致的等离子体导致诱导指数的改变，这些需要比制作Type I型光纤光栅更高的能量阈值。这种高的激光能量可能影响玻璃纤维结构，造成光纤上的损伤区域，因此Type II型光纤光栅具有极高的温度稳定性，能够在高温下正常工作。宽带光源和光谱分析仪(分辨率为0.01nm)被用来观察制作时的透射光谱。
制作出来的光纤传感器不仅仅是微孔和光学光栅的结合，它还具有以下特点：1、大多数的微孔都制作在光栅区域，这样便于缩小光纤传感器的体积；2、微孔与光纤纤芯具有几微米的距离，使得光纤纤芯一端部分暴露到外部介质中而不会较大的损坏光纤光栅的周期型结构。
下面通过具体实施例说明本发明的测量折射率和温度的方法和相应的光纤传感器的工作原理。
图2A-图2D示出了具有微孔的光纤光栅不同视角的形态图，能够清楚的在图2C和图2D中看到光纤光栅的主要的周期性结构没有受到影响。观察8个微孔中的两个以检查微孔的重复制造度，其中图3A是优选实施例S1的没有微孔的光纤光栅(实线)和具有微孔的光纤光栅(点线)的透射光谱图；图3B是优选实施例S2的没有微孔的光纤光栅(实线)和具有微孔的光纤光栅(点线)的透射光谱图；它们相应的插入损耗分别为7.30dB和6.94dB，也是很相近的。
下面通过具体实施例描述该具有微孔的光纤光栅如何进行折射率的测量：将具有微孔的光纤光栅浸入到不同折射率的液体(Cargille LABS)中进行在线折射率测量，所述不同折射率的液体的折射率的范围为1.3-1.45(测量温度为25度，测试光波长为589.3nm)。在每次测量后，使用异丙醇清洗该光纤光栅，并且放置到它的透射光谱和它在空气中的透射光谱一致后再放入其他折射率的液体中进行下一次的测量。
图4A示出了外部折射率改变造成的光纤光栅的响应。图中包括了两个实施例S1和S2，测量的时光纤光栅谐振峰λB处的光谱强度。在图中下方的实施例S1中，在折射率范围1.3-1.45的范围内时，折射率的敏感度线性符合29.5dB/RIU，线性回归值R＝0.9981，在图中上方的实施例S2中，在折射率1.3-1.395的范围内时，折射率的敏感度线性符合33.7dB/RIU，线性回归值R＝0.9986。两个实施例都具有相似的折射率敏感度和线性回归值，这样保证了实际使用装置中的良好的线性关系。同时光纤光栅的谐振波长不会随着外部折射率的增加而变化(实施例S1一直为1570.85nm，实施例S2一直为1544.14nm)，因为光纤纤芯仅仅小部分暴露在外部环境中，这个意味着光能量主要限制在光纤纤芯中，因此外部折射率的改变对纤芯模式的有效折射率几乎没有影响。图4B示出了实施例S1中的不同折射率液体的透射光谱的光谱强度图，从图中可观察到谐振峰波长λB没有发生改变。
下面通过具体实施例描述该具有微孔的光纤光栅如何进行温度的测量：将具有微孔的光纤光栅实施例S1放置在暴露在空气的烘箱中进行温度测量，当温度由20度逐渐升至90度时探测谐振波长的偏移。结果由图4C中所示，可算得敏感度为10.7pm/℃。
下面通过具体实施例描述该具有微孔的光纤光栅如何同时进行折射率和温度的测量：将具有微孔的光纤光栅实施例S1浸入折射率为1.340的液体(测试温度为25度，温度系数为-0.000388/℃)中，该液体折射率接近水的折射率。温度变化范围为20℃-80℃，该液体可以能够维持没有明显的蒸发。当把光纤传感器浸入该液体中，温度的升高造成液体折射率的降低，因此谐振峰强度也同时减小。图5A示出了由于温度引起的外部折射率变化导致的谐振峰强度变化。通过谐振峰强度确定的测量的折射率符合图4A中的线性结果。温度引发的测量误差和温度-折射率的交叉敏感可以依据下述方法计算出：我们首先根据液体的温度系数确定不同温度下液体的折射率，如图5A中计算的折射率；根据图4A所述结果找到相应的光强I1，如图5A中的插图计算的强度；测量误差即是光强I1和图5A内插图的测量光强I0之差，这里获得的最大的误差为温度70度时的0.03dB，误差可能来自光源的光强波动和被测量的液体不能在整个测量温度范围内保持同样的温度系数。温度引起的谐振波长的偏移如图5B所示，获得的偏移率为10.6pm/℃，几乎和如图4C所示通过飞秒激光制作type-II型光纤光栅的特征值相同。这个结果同样指出具有微孔的光纤光栅的温度属性不受外部折射率的影响。
为了检查具有微孔的光纤的机械强度。我们测量了具有8个微孔的实施例(光纤总长24cm)，破坏应变为0.2％，也就是说假设玻璃纤维具有70GPa的剪切模量时，相应的破坏压力为0.14GPa(或破坏张力1.72N)，这个量认为是一个高的负载。另一个实施例将光纤弯曲至大约1.5cm曲率半径时断裂，在我们的折射率和温度测量的实验中，使用的光纤都不会太脆以至于很容易断裂，当然适当的保护仍然是需要的。
综上所述，通过飞秒激光辐射制作一种具有微孔结构的光纤光栅，通过直接探测光纤光栅的谐振波长变化和强度变化实现温度和折射率的同时独立测量。温度和折射率两个参数通过一个测量特征波长的特性决定，这对于实现系统操作是便利的，在折射率范围1.3-1.45中，折射率敏感值为29.5dB/RIU，并具有良好的线性，通过进一步增加微孔的数量还能够进一步增加折射率敏感值，但是带来更大的插入损耗的负面效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种测量折射率和温度的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在单模光纤的纤芯内制作光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻多个微孔；
S2、将所述光纤光栅浸入被测量的物质中；
S3、通过测量所述光纤光栅的谐振波长的偏移计算出所述被测量的物质的温度；通过测量由所述微孔造成的谐振峰的强度计算出所述被测量的物质的折射率。
2.一种光纤传感器，包括单模光纤，其特征在于，在所述单模光纤的纤芯内设置有光纤光栅，在所述光纤光栅上钻刻有多个微孔。
3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，在所述光纤光栅钻刻有8个所述微孔，所述微孔与所述纤芯中心的距离大于4微米，所述微孔之间的间距为500微米。
4.一种采用权利要求2或3的光纤传感器的同时测量折射率和温度的测量装置。
5.一种光纤传感器的制造方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在单模光纤的纤芯内制作光纤光栅；
S2、在所述光纤光栅上钻刻多个微孔。
6.根据权利要求5所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，在所述光纤光栅钻刻有8个所述微孔，所述微孔与所述纤芯中心的距离大于4微米，所述微孔之间的间距为500微米。
7.根据权利要求5所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、将所述单模光纤放置在三维移动平台上，飞秒激光脉冲通过放大镜聚焦在所述光纤光栅上钻刻多个微孔；
S22、使用异丙醇清洗所述微孔。
8.根据权利要求7所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述飞秒激光脉冲波长为800nm，脉冲宽度为120fs，脉冲能量为10uJ，频率为1000Hz，照射时间为60s；所述放大镜为数值孔径为0.5、能量耦合效率为0.8、工作距离为2.1mm的20倍物镜。
9.根据权利要求7所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S21中，钻刻的第一个微孔位于所述光纤光栅的边缘。
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