CN103674085B - 一种u型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器及制备方法，一段蓝宝石光纤端面为微孔结构，形成了一种类似光子晶体光纤低折射率包层结构；一段长周期光纤光栅采用电磁溅射的方法将MgO掺杂在光纤的侧面，反应形成一种MgAl₂O₄晶体，改变了该段光纤的机械强度，写入光纤光栅后两段光栅出现不同的应力响应，可实现温度和应力的同时测量。本发明具有结构简单、测温范围大、测量精度高等优点，可应用于火箭发动机、光学整流罩、超高温环境等温度应力测量。

Description

一种U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器的制备方法

技术领域：

本发明涉及光纤领域中的光纤传感器件，具体涉及是一种可同时测量温度与应力双参数的U型结构光纤光栅温度应力传感器及其制备方法。

背景技术：

光纤光栅传感器由于其结构简单、电绝缘性、抗电磁干扰和抵御恶劣环境等优点受到人们的广泛关注。温度和应力的同时传感是目前人们研究光纤光栅传感的热点，但光纤光栅对温度和应力是同时敏感的，即温度和应力都能引起光纤光栅峰值波长敏感。因此，同时实现温度和应力的传感的关键是解决温度应力的交叉敏感问题。

人们关于这个问题有很多的研究，中国科学院上海光学精密机械研究所提出的专利申请“复合结构光纤光栅的温度应力传感器及其制备方法”(专利申请号03114822.0；公开号CN1424560A)公布了一种光纤中刻写长周期光栅实现温度应力同时测量的的方法，该方法将两段光纤光栅分别掺杂了GeO₂和B₂O₃，并在该两段刻有长周期光栅的光纤通过膜剥离器连接，其中，GeO₂具有正的温度灵敏度，而B₂O₃具有负的温度灵敏度，而它们的光纤基质相同，因此应力灵敏度相同。光纤光栅峰值波长对温度应力的灵敏响应不同，经过第一段光纤光栅的基膜耦合到第二段光纤光栅的高阶包层膜中，通过检测通过光纤的传输频谱中的阻带低谷，实现了温度和应力的分离。由该专利公布的技术方案的测量精度比布拉格光栅更高，但其不足是透射谱对传感光纤和传输光纤的耦合反应很敏感，因此测量实现较难。

另外，由Thi Van Anh等人解决的方案是在光纤头写入布拉格光栅，其中一半光栅贴上金属膜，另一半光栅不作处理，这两段布拉格光栅有相同的温度灵敏度，但它们的应力灵敏度不同，两种光纤光栅峰值波长变化不同，以此可以测定温度和应力。该方案解决了两段光栅需要耦合的问题，但该方法在超高温中难以保证光纤光栅和金属的粘合度，所以在特定环境中的测量受到限制。

此外，Stephen.J.Mihailov等利用布拉格光纤光栅峰值波长对温度和应力响应，将布拉格光纤光栅放入微型炉中，分别实现了温度和应力测量，该方法实现了1290℃的温度测量值，但该方法不能实现温度应力的同时测量，且蓝宝石光纤中单模传输很难控制，这是关于蓝宝石光纤用于高温应力传感的报道。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器及制备方法。

具体的说，本发明的工作原理如下：宽带光源从蓝宝石光纤一端注入，由于商用的蓝宝石光纤直径为150μm的大芯径尺寸，所以进入光纤的光束有很多模式，经过曲率半径为50mm的U型段，其高阶模式被有效滤除。由于蓝宝石光纤光栅段一半表面掺杂了氧化镁(MgO)，两次热处理后形成了镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)结构，增加了该段的机械强度，该结构的厚度为15μm。基模光束进入两段蓝宝石光纤光栅中，被耦合到同方向传输的高阶模包层中，并且相应地在光栅的传输谱中形成阻带低谷，通过测量随温度和应力变化的透射的谱，实现温度和应力的测量，其谐振波长由下式决定:

${\mathrm{\λ}}_L={\mathrm{\Δn}}_{eff}\mathrm{\Λ}=(n_{{\mathrm{co}}_{eff}}-n_{{\mathrm{cl}}_{dff}})\mathrm{\Λ}---\left(1\right)$

其中为蓝宝石光纤的折射率，为等效包层的有效折射率，对于不同周期的光栅，会出现不同的谐振波长λ₁，λ₂，选择合适的周期便于观察谐振波长。当同时改变温度和应力时使得U型结构蓝宝石光纤光栅的谐振波长λ₁，λ₂的移动其变化量可以表示为：

${\mathrm{\Δv}}_{ri}=c_{{\mathrm{\ϵ}}_i}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_i+c_{T_i}{\mathrm{\ΔT}}_i,i=1,2---\left(2\right)$

式中，是与光纤材料的泊松比、弹光系数以及有效折射率有关的系数；是与镁铝尖晶石的热膨胀系数、光纤的热膨胀系数以及光热系数有关的常数。假设整个光栅区域应力的变化为Δε，一段光栅由于形成了镁铝尖晶石结构，将使得两段光栅产生不同的应变，设发生应变区的总长度为L,而镁铝尖晶石段的光栅长度为L1,α＝Δε₁/Δε₂有如下关系：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\α}L}{L+(\mathrm{\α}-1)L_2}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_2=\frac{L}{L+(\mathrm{\α}-1)L_2}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

将(3)式和(4)式代入(2)式中得到光纤光栅的透射谷值移动量与温度应力的变化关系：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{v_r}^1\\ {{\mathrm{\Δv}}_r}^2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{\ϵ}}^1& C_T^1\\ C_{\mathrm{\ϵ}}^2& C_T^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\\ \mathrm{\Δ}T\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中上式可变为

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_0\\ T-T_0\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{C}_{{\mathrm{\ϵ}}_1}& C_{T_1}\\ C_{{\mathrm{\ϵ}}_2}& C_{T_2}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{v_r}^1\\ {{\mathrm{\Δv}}_r}^2\end{array}\right]---\left(6\right)$

ε₀，T₀为设定的参考应力和温度，实验中由测得的温度和应力的平移量可以由公式(6)解得实时的温度和应力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器，包括一段端面为微孔结构的U型蓝宝石光纤，其中，一段所述蓝宝石光纤设置有表面掺杂了氧化镁所形成的镁铝尖晶石的长周期光纤光栅和一段常规长周期光栅，两段光栅设于蓝宝石光纤U型结构的一侧。

一种制备U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

S1拉制光纤；在蓝宝石预制棒中横截面内加工环形微孔结构，用提拉法拉制一根商用蓝宝石光纤，所述光纤包含一种有效包层，所述有效包层折射率小于蓝宝石折射率且其折射率取决于微孔的大小和间距；

S2光纤表面加工；在一段光纤掺杂氧化镁，其中，在高温条件下通过电磁溅射法将氧化镁均匀地掺入该段光栅的光纤表面，并经过两次热处理所发生化学反应形成高强度、透光性更好的镁铝尖晶石；

S3设定参数，其中包括：

S301调节电动平移台和激光器之间的可变衰减器，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围；

S302设定计算机中的内置驱动程序参数；

S303将三维电动平台的扫描速度设定到最佳的参数范围；

S4蓝宝石光纤内刻写长周期光栅，其中包括：

S401显微物镜将衰减后的飞秒激光脉冲垂直聚焦于三维电动平移台上的蓝宝石光纤中，通过相位掩膜法进行刻写；

S402计算机控制三维电动平台，使其以步骤S303中设定的扫描速度在垂直于聚焦光束传播方向的平面内运动，运动方向为蓝宝石光纤的纵向方向；

S5对所述蓝宝石光纤进行弯曲处理，且保证两段光栅位于U型结构的一侧。

需要说明的是，所述两次热处理后的退火时间均为1小时,所获得镁铝尖晶石的晶体薄膜的厚度为15μm，硬度8.5；作为另一种实施，本发明也可以采用溶胶法、电镀法或气相沉积法等在蓝宝石光纤表面形成一层晶体膜；

需要说明的是，所述步骤S301中的激光器为钛宝石激光器，其输出波长800nm，单脉冲能量为1.4mJ,脉冲宽度为120fs。

需要说明的是，所述三维电动平台中电机的扫描速率为25-200μm/s,其分辨率为0.625μm。

需要说明的是，所述相位掩膜法中的掩膜板的周期为460μm。

需要说明的是，所述光栅的加工长度为2cm。

需要说明的是，所述蓝宝石光纤的U型段结构的曲率半径为50mm。

本U型蓝宝石光纤温度应力传感器相比于传统的石英、硅光纤传感器及基于布拉格反射的蓝宝石光纤光栅传感器具有一下优点：

1、测量温度高，测量精度更高，同时又实现了温度和应力的测量；

2、结合了传统的基于单模传输的思路和单纯的用于高温测量的方法；

3、结合了长周期光纤光栅传感精度高的优点，实现了一种超高温应力测量的传感。

附图说明

图1是本发明U型结构蓝宝石光纤光栅传感器结构示意图；

图2是本发明U型结构蓝宝石光纤光栅的一种测量装置示意图。

图3是本发明U型结构蓝宝石光纤光栅的制备装置示意图；

图4是本发明U型结构蓝宝石光纤光栅的透射光谱示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。需要说明的是，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明为一种U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器，包括一段端面为微孔结构的U型蓝宝石光纤1，其中，所述一段蓝宝石光纤1设置有表面掺杂了氧化镁所形成的镁铝尖晶石的长周期光纤光栅2和一段常规的长周期光栅2，两段光栅设于蓝宝石光纤U型结构的一侧，其中，镁铝尖晶石的的长周期光纤光栅上具有晶体薄膜3。

制备上述的U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器的方法如下：

步骤1，拉制光纤；

在一根蓝宝石预制棒中横截面内加工环形微孔结构，用以形成一种有效包层100，其包层折射率小于蓝宝石折射率，且其折射率取决于微孔的大小和间距。用提拉法拉制一根商用蓝宝石光纤1，芯径150μm；

步骤2，光纤表面加工；

在高温条件下通过电磁溅射的方法将氧化镁(MgO)均匀地掺入该段的光纤表面，经过两次热处理，发生化学反应。退火处理退火时间2小时,形成高强度，透光性更好的镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)晶体薄膜3，薄膜厚度15μm,莫氏硬度8.5。

步骤3，设定参数；

如图2所示，调节三维电动平移台7和激光器8之间的可变衰减器9，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围，试验表明单脉冲能量可设为1.4mJ，脉冲宽度120fs；

步骤4，光纤内刻写长周期光栅；

如图1、图2所示，显微物镜5将衰减后的飞秒激光脉冲垂直聚焦于三维电动平移台7上的蓝宝石光纤4中，通过相位掩膜的方法来刻写，掩膜板6的周期为460μm，长度10cm，实验采用扫描曝光的方法，掩膜板6和蓝宝石光纤光纤4的位置相对固定，共同放置在三维电动平移台上7，其中三维电动平移台7中的步进电机的空间分辨率为0.625μm(即每步移动距离为0.625μm)，在加工时通过电脑程序对步进电机的控制使蓝宝石光纤4和掩膜板6相对于聚焦的飞秒脉冲激光进行匀速的移动；其中，将三维电动平台7的扫描速度设定到25-200μm/s的范围内比较理想；

由于对一段蓝宝石光纤1是局部掺杂，对掺杂段和无掺杂段相接处进行长周期光栅2刻写，使得长周期光栅2位于两段之间，其长度为2cm。

步骤5，光纤弯曲处理；

对一段蓝宝石光纤1进行弯曲处理，且保证两段长周期光栅2位于U型结构的一侧，弯曲曲率半径为50mm。

步骤6，信号检测；

如图3所示，使用宽带光源10(NKT Photonics)作为信号光源，从蓝宝石光纤4的一端入射，通过电光调制器11产生260mw，30ns的探测脉冲，再通过0.25nm的带通滤波器14滤除自发辐射噪声,最后通过传感光纤。实验中给传感光纤施加外部的应力或温度的变化，使用带通滤波器13滤出10nm带宽的光谱，再使用光谱仪12(AQ6370B,Yokogawa)测量透射光的谱线，

如图4的光谱图所示，由公式(1)可知随着光栅周期的增大，谐振波长会向长波方向移动，且相邻的谐振波长的间距会增加，选择合适的光栅周期观察到两个明显的阻带低谷,便于实验。温度的变化会导致透射谱的平移，应力的变化会导致谱线的两个峰值的间隔变化，由此可以计算出温度和应力的变化系数和施加的未知的温度和应力值可由公式(6)计算得出。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种U型结构的蓝宝石光纤光栅温度与应力传感器的制备方法，所述传感器包括一段端面为微孔结构的U型蓝宝石光纤，其中，一段所述蓝宝石光纤设置有表面掺杂了氧化镁所形成的镁铝尖晶石的长周期光纤光栅和一段常规长周期光栅，两段光栅设于蓝宝石光纤U型结构的一侧，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1拉制光纤；在蓝宝石预制棒中横截面内加工环形微孔结构，用提拉法拉制一根商用蓝宝石光纤，所述光纤包含一种有效包层，所述有效包层折射率小于蓝宝石折射率且其折射率取决于微孔的大小和间距；

S2光纤表面加工；在一段光纤掺杂氧化镁，其中，在高温条件下通过电磁溅射法将氧化镁均匀地掺入该段光栅的光纤表面，并经过两次热处理所发生化学反应形成高强度、透光性更好的镁铝尖晶石；

S3设定参数，其中包括：

S301调节电动平移台和激光器之间的可变衰减器，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围；

S302设定计算机中的内置驱动程序参数；

S303将三维电动平台的扫描速度设定到最佳的参数范围；

S4蓝宝石光纤内刻写长周期光栅，其中包括：

S401显微物镜将衰减后的飞秒激光脉冲垂直聚焦于三维电动平移台上的蓝宝石光纤中，通过相位掩膜法进行刻写；

S402计算机控制三维电动平台，使其以步骤S303中设定的扫描速度在垂直于聚焦光束传播方向的平面内运动，运动方向为蓝宝石光纤的纵向方向；

S5对所述蓝宝石光纤进行弯曲处理，且保证两段光栅位于U型结构的一侧。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两次热处理后的退火时间均为1小时,所获得镁铝尖晶石的晶体薄膜的厚度为15μm，硬度8.5。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S301中的激光器为钛宝石激光器，其输出波长800nm，单脉冲能量为1.4mJ,脉冲宽度为120fs。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述三维电动平台中电机的扫描速率为25-200μm/s,其分辨率为0.625μm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相位掩模法中的掩模板的周期为460μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光栅的加工长度为2cm。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石光纤的U型段结构的曲率半径为50mm。