CN102620679A - 一种光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器及其制备方法 - Google Patents

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本发明提供了一种光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器，包括刻写有光纤布拉格光栅的光纤，所述光纤布拉格光栅是通过对所述光纤的单面激光照射形成，所述光纤布拉格光栅中心与所述光纤的中心存在偏离，所述布拉格光栅的条纹与所述光纤轴向形成倾斜角。本发明在两个维度上具有不对称性，能够测量任何方向上弯曲的曲率。

Description

一种光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，具体涉及一种光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器及其制备方法。
背景技术
倾斜光纤布拉格光栅是一种光栅条纹与光纤轴向存在一定角度的新型的光无源器件。光纤光栅传感器与传统的电学传感器相比较，具有低损耗、高精度、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、化学稳定及电绝缘等优点。而在光纤光栅传感器中，倾斜光纤布拉格光栅不仅具有普通光纤布拉格光栅的特性，还具有与长周期光纤光栅相似的特性。同时，倾斜光纤布拉格光栅还具有集成度高、体积小、易封装和受交叉敏感小等优点。因此，用它制作的新型光子学器件在光纤通信，光纤传感以及其它领域中有着广泛的应用前景。在矢量弯曲传感领域中，许多实际应用比如房屋建筑，桥梁，船舶，精密器械等，不仅要求传感器测出弯曲的型变量，更要求同时测出弯曲的方向，而且弯曲的方向可能来自于任何一个方向。
传统的矢量弯曲传感器是基于普通光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅，或者是在特殊光纤中刻写普通布拉格光纤光栅。其缺点在于：测量的曲率的方向有限，易受交叉敏感的印象，系统结构复杂，制作成本高。
发明内容
本发明提供一种光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器，该矢量弯曲传感器在两个维度上都有不对称性，实现任何一个方向的曲率测量。
本发明还提供制备上述光纤布拉格光栅矢量弯曲传感器的方法。
一种矢量弯曲光纤光栅传感器，包括刻写有光纤布拉格光栅的光纤，其特征在于，所述光纤的两个维度方向上的光纤布拉格光栅不对称。
进一步地，所述光纤布拉格光栅是通过对所述光纤的单面激光照射形成，所述光纤布拉格光栅中心与所述光纤的中心存在偏离，所述布拉格光栅的条纹与所述光纤轴向形成倾斜角。
进一步地，所述倾斜角为1～8度。
一种制备所述的矢量弯曲光纤光栅传感器的方法，具体为：
光路组建步骤：将光纤置于由飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和光纤调整架构成的飞秒激光写入系统；
光路对准步骤：打开所述飞秒激光光源，将其功率设为小于刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值；所述飞秒激光光源发出的飞秒激光光束依次穿过所述平凸柱透镜和相位掩模板，在所述相位掩模板后方呈现一个线状光斑；调整所述光纤相对于所述线状光斑的位置使得所述光纤的纤芯与所述线状光斑重合；调节所述光纤调整架，使得所述光纤轴向的垂直方向与所述飞秒激光光束方向形成倾斜角；
光栅刻写步骤：增大所述飞秒激光光源的功率直至超过刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值，对光纤进行单面激光照射，完成倾斜光纤布拉格光栅的刻写。
本发明的技术效果体现在：
考虑到矢量弯曲传感器件的波长及透射率变化是由于弯曲引起了传感器件的结构参数而产生的，因此要测量任意方向的弯曲就需要矢量弯曲传感器件在两个维度上都有不对称性。现有的矢量弯曲传感器只有一个维度的不对称性，因此只能测量两个方向的曲率。本发明利用飞秒激光单面照射刻写倾斜光纤布拉格光栅，秒激光的聚焦位置与光纤的中心有偏离，从而使基于这种倾斜光纤布拉格光栅的矢量弯曲传感器在两个维度上都有不对称性，因此可以测量来自于任何一个方向的曲率。
附图说明
图1为飞秒激光写入系统示意图；
图2为本发明涉及的装置结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于倾斜光纤布拉格光栅的制作方法，包括下述步骤：
一.光路组建步骤：
将光纤要刻写倾斜光纤布拉格光栅的部分的涂覆层剥去并用酒精擦拭，置于飞秒激光写入系统中。如图1所示，飞秒激光写入系统包括飞秒激光光源、平凸柱透镜2、相位掩模板4和一对光纤调整架，飞秒激光光源发射飞秒激光1，一对光纤调整架架设在光纤5的两端，以便调整光纤相对相位掩模板4的位置。光纤5与飞秒激光传播方向垂直。
二.光路对准步骤：
打开飞秒激光光源，将其功率设为小于刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值(例如300～500mW)；飞秒激光光束经过平凸柱透镜和相位掩模板，在相位掩模板后方呈现一个线状光斑，调整单模光纤尾部相对于线状光斑的位置，使光纤的纤芯与线状光斑3重合，再将光纤的一端沿飞秒激光照射方向移动一段特定的距离，使光纤与相位掩模板4形成一个倾斜角度6，即使得光纤轴向的垂直方向与所述飞秒激光光束方向形成倾斜角，倾斜角度6优选1～8度；
三.加工步骤：
将飞秒激光的输出功率调大，直至超过刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值100～300mW，对光纤单面刻写倾斜光纤布拉格光栅，构成基于倾斜光纤布拉格光栅的矢量弯曲传感器。
如图2所示，该矢量弯曲传感器在X轴上的不对称性来源于飞秒激光9的单侧照射，在面对激光照射方向(0°)的倾斜光纤布拉格光栅的折射率调制程度较深，在背向激光照射方向(180°)的倾斜光纤布拉格光栅的折射率调制程度较浅。在Y轴上的不对称性来源于倾斜角的存在和飞秒激光的光束聚焦中心7与光纤中心8的偏离。因此，基于飞秒激光刻写的倾斜光纤布拉格光栅的矢量弯曲传感器在两个维度上具有不对称性，可以测量任何方向上弯曲的曲率。
本发明中的光纤可采用单模光纤、多模光纤以及光子晶体光纤等等。
基于倾斜光纤布拉格光栅的矢量弯曲传感器不仅具有光纤传感器质轻、径细、柔韧、抗电磁干扰等优点，相比于基于光纤布拉格光栅和长周期光栅的传感器还有低交叉干扰性和多方向性等优点，在矢量弯曲传感领域中可以有更为广泛的应用。

Claims (6)

1.一种矢量弯曲光纤光栅传感器，包括刻写有光纤布拉格光栅的光纤，其特征在于，所述光纤的两个维度方向上的光纤布拉格光栅不对称。
2.根据权利要求1所述的矢量弯曲光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅是通过对所述光纤的单面激光照射形成，所述光纤布拉格光栅中心与所述光纤的中心存在偏离，所述布拉格光栅的条纹与所述光纤轴向形成倾斜角。
3.根据权利要求2所述的矢量弯曲光纤光栅传感器，其特征在于，所述倾斜角为1～8度。
4.一种制备权利要求1或2或3所述的矢量弯曲光纤光栅传感器的方法，具体为：
光路组建步骤：将光纤置于由飞秒激光光源、平凸柱透镜、相位掩模板和光纤调整架构成的飞秒激光写入系统；
光路对准步骤：打开所述飞秒激光光源，将其功率设为小于刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值；所述飞秒激光光源发出的飞秒激光光束依次穿过所述平凸柱透镜和相位掩模板，在所述相位掩模板后方呈现一个线状光斑；调整所述光纤相对于所述线状光斑的位置使得所述光纤的纤芯与所述线状光斑重合；调节所述光纤调整架，使得所述光纤轴向的垂直方向与所述飞秒激光光束方向形成倾斜角；
光栅刻写步骤：增大所述飞秒激光光源的功率直至超过刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值，对光纤进行单面激光照射，完成倾斜光纤布拉格光栅的刻写。
5.根据权利要求4所述的矢量弯曲光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述倾斜角为1～8度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光栅刻写步骤中的飞秒激光光源的功率大于所述刻写布拉格光纤光栅所需激光强度阈值100～300mW。
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