CN104407413A - 一种哑铃型光纤光栅制备方法及温度不敏感折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种哑铃型结构光纤光栅的制备方法及温度不敏感折射率传感器，方法包括：(1)选取双折射保偏光纤，所述双折射保偏光纤的横截面结构为应力施加区的二重对称结构；(2)采用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在双折射保偏光纤中刻入布拉格光栅；(3)再采用化学腐蚀的方法对该光纤光栅应力施加区进行腐蚀，将两个应力施加区腐蚀成二维不对称结构。传感器包括沿光传输路径顺序连接的宽带光源、哑铃型光纤光栅、偏振控制器、偏振分光器和光谱分析仪；本发明的温度不敏感折射率传感仪，采用二重不对称结构的高双折射的保偏光纤，利用其独特的双折射及偏振特性，经过刻写光栅和化学腐蚀熊猫光纤结构，克服温度对灵敏度的影响。

Description

一种哑铃型光纤光栅制备方法及温度不敏感折射率传感器

技术领域

本发明涉及折射率传感器的研究领域，特别涉及一种哑铃型光纤光栅制备方法及温度不敏感折射率传感器。 

背景技术

光纤光栅的折射率因其体积小、无毒、响应速度快、熔接损耗小、全兼容于光纤、操控灵活方便、分布式检测和能埋入智能材料等优点不仅在光纤通信和传感领域得到应用，而且在环境监测、食品安全检测、新药开发、临床检验、生物和化学、物理等方面有着广泛的用途。但光纤光栅的谐振波长对温度的变化敏感，所以解决温度对光纤光栅折射率传感器的影响很有意义。这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。据此，设计出一种对温度不敏感的光纤光栅传感器尤为重要。 

为了增强灵敏度，提高光纤波导的倏逝场，比如熔融拉锥，但是这个方法改变了纤芯结构，使得可能光纤整体的光敏性降低或使纤芯内部结构受到破坏，从而不利于紫外光照射的方法进行光栅制作。为了不破坏纤芯结构，人们提出采用化学刻蚀法或侧面抛光法等。相对于侧面抛光法，化学刻蚀能够均匀的对光纤进行刻蚀，侧面抛光法却并不能面面俱到，而且化学刻蚀光纤的结构稳定性较好，光谱性能通过实现可控，这是侧面抛光法无法媲美的。因此，化学刻蚀光纤光栅已经用到测量折射率、DNA、蛋白质、生物试剂等方面，且在灵敏度、稳定性上都有很大的提升。 

然而化学刻蚀法目前主要集中在传统光纤光栅，即采用折射率导光的光纤光栅结构。对于另外一种常见保偏型光纤光栅却鲜有涉及。保偏光纤通过光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈的双折射效应，采用应力产生入射光偏振态，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，从而提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。所以其广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。若对保偏光纤光栅进行化学刻蚀，最终形成结构不对称 的偏振光纤光栅，一方面提高了折射率灵敏度，另一方面可用以消除温度效应的影响，提高器件的温度稳定性，从而具备广阔的应用前景。 

应用中，减少温度影响对光纤光栅折射率传感器的研究至关重要，因为温度引起波长漂移，从而对折射率传感系统造成很大影响，这是光纤光栅固有的属性。传统方法是在传感系统中引入一个只对温度变化起响应的波导结构，从而实现对温度的解析，然而这种结构更复杂。近年来，Yang Ran等人提出利用模式之间的互相耦合如(Temperature Compensated Refractive Index Sensing Using a Single Bragg Grating in an Abrupt Fiber Taper)利用拉锥光纤的锥体的角度和偏振效应，不同偏振态折射率响应不同、温度响应相同，产生三个反射光谱，测量三者波长的间距就能消除温度的交叉影响。他们在(Bragg gratings in rectangular microfiber for temperature independent refractive index sensing)中，提出利用矩形微纳光纤光栅，因其的偏振效应和瞬逝场效应来克服温度因素对灵敏度的影响。以上光纤结构稳定性不好，光纤尺寸小、物理强度不高，难以制作光纤光栅结构。O.Frazao等人制作了特殊结构的双孔光纤(Optical refractometer based on a birefringent Bragg grating written in an H-shaped fiber)，利用两个偏振态对温度不敏感，在较小温度变化内可以忽略温度的影响。然而这种光纤需要特殊的光纤制作工艺，制作难度大、成本高，难以实现。 

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种哑铃型光纤光栅的制备方法，利用保偏光纤做成一种哑铃型光纤光栅，结合了两者独特的高双折射及偏振特点，解决了现有方法中稳定性不高、成本高、技术不成熟、难制备的问题。 

本发明的另一目的在于，提供一种基于上述制备方法所得的光纤光栅的温度不敏感折射率传感器。 

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案： 

一种哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，包括下述步骤： 

(1)、选取双折射保偏光纤，所述双折射保偏光纤的横截面结构为应力施加区的二重对称结构； 

(2)、采用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在双折射保偏光纤中刻入布拉格光栅； 

(3)、再采用化学腐蚀的方法对该光纤光栅应力施加区进行腐蚀，将两个应力施加区腐蚀成二维不对称结构。 

优选的，步骤(1)中，所述双折射保偏光纤为熊猫型、领结型、D型光纤中的一种。 

优选的，步骤(2)中，光栅周期为534.42nm，激光器为3mJ每一脉冲，重复频率为200Hz。 

优选的，步骤(3)中采用的是浓度为15％的氢氟酸对应力施加区进行腐蚀。 

优选的，所述双折射光纤为双折射保偏熊猫光纤，双折射保偏熊猫光纤包括纤芯和两个应力施加区，所述纤芯掺杂锗，直径为6.0μm；所述两个应力施加区掺杂硼，直径为33μm。 

优选的，步骤(3)中，为描述腐蚀后的光纤，定义a为经过光纤纤芯的最长边光纤尺寸，b为经过纤芯的最短边光纤尺寸，a，b被腐蚀的大小不同，两个偏振光所受的外界因数的影响也就不同，其双折射率，两个共振偏振波长的差值也不同。 

优选的，a被腐蚀为74.0μm，b被腐蚀为7.0μm。 

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案： 

一种温度不敏感折射率传感器，包括沿光传输路径顺序连接的宽带光源、利用权利要求1的方法制备成的哑铃型光纤光栅、偏振控制器、偏振分光器和光谱分析仪；其中偏振控制器用于调整偏振状态，偏振分光器用于分离两个偏振态的偏振光；其工作方式为：由宽带光源发出的光经过哑铃型光纤光栅形成两个偏振光，因其对所受外界因数的影响有不同的反应，经偏振控制器调整偏振状态，再由偏振分光器分出两个不同状态下的偏振光，分别接入光谱分析仪，得出两个偏振光的波长差。 

优选的，所述哑铃型光纤光栅是采用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在双折射保偏光纤中刻入布拉格光栅，光栅周期为534.42nm，然后采用化学腐蚀来刻蚀双折射保偏光纤，形成高双折射的哑铃结构光纤光栅。 

优选的，所述两个波长差△λ公式为： 

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{B}{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(1\right)$

其中为这个模型的双折射率，为两个偏振波长的平均值， $\mathrm{\Γ}=n_g-\mathrm{\λ}\·\∂n_g/\∂\mathrm{\λ},$ $n_g=(n_{\mathrm{eff}}^x+n_{\mathrm{eff}}^y)/2$ 为两个偏振光的平均折 射率，为在y轴上的有效折射率，为在y轴上的有效折射率，为在x轴传播光的有效波长，为在y轴传播光的有效波长，由此可以看出波长差△λ与B成正比，与Γ成反比，更高的B值将产生更大的波长差△λ，随着氢氟酸对熊猫光纤的涂覆层的腐蚀，外部环境对纤芯的应力也会随之变化，从而影响两个偏振光的双折射率，使两个偏振光波长差△λ也随之变化。 

本发明的原理为：先在保偏光纤上刻写布拉格光栅，然后在用氢氟酸刻蚀应力施加区域，形成两个应力施加区的不同尺寸，影响在不同尺寸方向传播的光的有效折射率，然后波长的变化。使其两边对温度不敏感，但是对外界折射率，浓度却反映不同，两者就会形成波长差，中心波长就会移动 

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果： 

1、本发明提出了一种哑铃型光纤光栅的温度不敏感折射率传感器，采用二重不对称结构的高双折射的熊猫光纤，利用其独特的双折射及偏振特性，经过刻写光栅和化学腐蚀熊猫光纤结构，实现了一种哑铃型光纤光栅的温度不敏感折射率传感。本发明设计新颖，克服了温度对灵敏度的影响，又有较好的灵敏度。 

2、本发明与传统光学折射率传感方法相比，具有体积小、重量轻、可与光纤系统兼容、可远距离、分布式监测等优点。 

3、本发明的传感器与其它光纤光栅型折射率传感方法相比，具有受温度影响小、尺寸小、反应速度快等优点。 

4、本发明与现有光纤光栅折射率传感技术相比，能克服温度对灵敏度的影响，测量稳定性好，技术成熟，容易制备。 

5、本发明避免了将待测物质装进光纤结构之中，而直接将传感光纤置于待测物质之中传感，实现了快速、准确传感，因此具有巨大的应用潜力。 

6、本发明的方案简单易行，技术成熟，容易制备且稳定好。其改进方法是在上述方案的基础上，也可以用其他传统高双折射型光纤，例如领结型、D型光纤等，或为高双折射光子晶体光纤等等，然后再刻入光栅，然后用氢氟酸腐蚀光纤光栅结构也可得到同样或优于上述结构的对温度不敏感的特殊形状的光纤光栅。 

附图说明

图1是本发明的哑铃型光纤光栅的结构示意图； 

图2是本发明的温度不明感折射率传感器的结构示意图； 

图3是本发明实施例中偏振光波长与折射率的关系曲线图； 

图4是本发明实施例中温度对传感器的关系曲线图。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 

实施例 

如图1所示，一种哑铃型光纤光栅的温度不敏感折射率传感器的制备方法，包括以下步骤： 

(1)、选取双折射保偏熊猫光纤(本实施例中以熊猫光纤为例进行说明，其他如领结型、D型光纤等，或为高双折射光子晶体光纤等等均适应本申请的技术方案)，所述双折射熊猫光纤的横截面结构为应力施加区的二重对称结构，具有很好的保偏性能； 

(2)、首先采用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在熊猫光纤中刻入布拉格光栅，光栅周期为534.42nm。激光器为大约3mJ每一脉冲，重复频率约为200Hz.这样能使刻蚀的光栅性能稳定，激光器能量损失小； 

(3)、再采用化学腐蚀的方法对熊猫光纤光栅应力施加区进行腐蚀，采用的是浓度为15％的氢氟酸。得到合适的光栅光纤结构，使其两个偏振光对折射率响应不同、温度响应相同，克服温度对测量灵敏度的影响。 

其实现原理是：基于熊猫光纤的高双折射效应和布拉格光栅的偏振效应。采用化学刻蚀的方法，先写光栅再刻蚀。先用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在熊猫光纤中刻入布拉格光栅，再用氢氟酸腐蚀光纤结构从而形成了一种哑铃型光纤光栅，能很好的结合了两者的特性。用宽带光源器提供其光源，光在其中传输时因其布拉格光栅结构激发两个偏振模式的光，这两个偏振光的波长会随着这种哑铃型光纤光栅周围折射率、溶液浓度、外部应力的改变而改变。然后通过偏振控制器调整好光的偏振状态，最后通过偏振光束分离器分离两束偏振光分别接入光谱分析仪，其两偏振光的波长差△λ会与外界物质因数成一定的线性关系，这已通过下面实验得到了很好的验证。波长差△λ公式为 

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{B}{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(1\right)$

其中为这个模型的双折射率。为两个偏振波长的平均值。 $\mathrm{\Γ}=n_g-\mathrm{\λ}\·\∂n_g/\∂\mathrm{\λ},$ $n_g=(n_{\mathrm{eff}}^x+n_{\mathrm{eff}}^y)/2$ 为两个偏振光的平均折射率。由此可以看出波长差△λ与B成正比，与Γ成反比，更高的B值将产生更大的波长差△λ。随着氢氟酸对熊猫光纤的涂覆层的腐蚀，外部环境对纤芯的应力也会随之变化，从而影响两个偏振光的双折射率，使两个偏振光波长差△λ也随之变化。 

为了得到更好折射率传感灵敏度，首先就要解决外界温度对其工作的影响。在我们的实验中，我们采用了熊猫光纤其纤芯直径为6.0μm掺杂锗和两个直径大约为33μm掺杂硼的应力施加区(又称猫眼)的部分。通过193nm准分子激光器和相位掩膜技术向其光芯内写入布拉格光栅，再通过化学腐蚀的办法对光纤进行结构上的再造，由于熊猫光纤的两个应力施加区的刻蚀速度较快，随着刻蚀的进程，形成二维不对称结构，为了描述这种刻蚀后熊猫光纤，我们定义a为经过光纤纤芯的最长边光纤尺寸，b为经过纤芯的最短边光纤尺寸。a，b被腐蚀的大小不同，两个偏振光所受的外界因数的影响也就不同，其双折射率，两个共振偏振波长的差值也不同。通过实验证明a大约被腐蚀为74.0μm，b大约被腐蚀为7.0μm时，外界温度对光纤光栅的影响最小，可以忽略不计，其两个偏振光的波长差△λ对温度不敏感但是对外界折射率却能成良好的线性关系，且可以达到很高的灵敏度。 

如图2所示，本实施例的哑铃型光纤光栅温度不敏感折射率传感器包括宽带光源BBS、偏振控制器PC、偏振光束分离器PBS、光谱分析设备OSA，具体是由光谱分析设备测量出哑铃型光纤光栅处于不同折射率下的两个偏振光的波长，通过数学方法的处理，得出两个偏振光的波长差△λ。进行线性拟合得出与不同折射率之间的线性关系，从而测量出外界折射率变化。 

如图1所示，本实施例的光纤光栅由熊猫光纤在纤芯中刻入布拉格光栅，然后用氢氟酸慢慢腐蚀熊猫光纤的应力施加区而形成的结构。为进一步检验本发明的可行性，特进行如下的实例。将传感光纤置于蔗糖溶液当中，通过调整蔗糖浓度改变溶液的折射率，浓度从1.333到1.443，浓度慢慢的升高，对两个偏振光的折射率产生影响，会使共振波长产生红移，但是两个偏振光的折射度灵敏度会不一样。这是因为光纤的不对称结构。两个施加区a大约被腐蚀为74.0μm，b大约被腐蚀为7.0μm。因为a部分比b部分腐蚀的多，部分在a方向的 光能会损失掉(x轴偏振光)，能量容易逃离光纤，所以相比b方向的偏振光(y轴偏振光)a方向的折射率灵敏度会大一些。这会使沿y轴的速度大于沿x轴传播的偏振光。通过光谱仪测量得到两偏振光的波长，得到两个偏振光的波长差△λ与折射率关系曲线如图3所示，圆点表示x轴偏振光，三角形表示y轴振。小正方形表示两偏振光的波长差△λ，从实例测量数据点可以看出两个偏振光波长差△λ与外部折射率成很好的线性关系；△λ随着折射率增大而减小，在分辨率为0.06nm的光谱仪里的灵敏度可达到4×10^-3nm/RIU。 

图4表示温度对哑铃型光纤光栅的温度不敏感折射率传感器的曲线图，从图中可以看出，温度对传感器的影响基本上可以忽略不计。将其放在管炉内加热，由于大部分能量被束缚在光纤里，其热光效应占温度系数的主导地位。可以从图上看到两个偏振光的波长位移基本重合，共振波长反应相同。而两个偏振光波长差△λ对温度的升高，数值基本上没有什么变化，温度的交叉影响对波长差数值浮动远小于光谱仪0.06nm的分辨率。从此可得出哑铃型光纤光栅的温度不敏感。 

由上述两个实验可以证明基于哑铃型光纤光栅的温度不敏感折射率传感器的两个偏振态对外界折射率响应不同、温度响应相同。由于其哑铃型结构、光纤光栅的高双折射和保偏光纤的保偏作用，使两个轴偏振光，因其光纤结构的不对称性，所受的外部环境因素的影响也不同，经过实验的探索，找出一个合适的不对称光纤结构，使其在灵敏度和温度不敏感达到最佳状态。本发明做出来的折射率传感器性能稳定，容易制备，技术成熟，是一种新型对温度不敏感的折射率传感器，有很广泛的应用领域。 

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)、选取双折射保偏光纤，所述双折射保偏光纤的横截面结构为应力施加区的二重对称结构；

(2)、采用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在双折射保偏光纤中刻入布拉格光栅；

(3)、再采用化学腐蚀的方法对该光纤光栅应力施加区进行腐蚀，将两个应力施加区腐蚀成二维不对称结构。

2.根据权利要求1所述的哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述双折射保偏光纤为熊猫型、领结型、D型光纤中的一种。

3.根据权利要求1所述的哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，光栅周期为534.42nm，激光器为3mJ每一脉冲，重复频率为200Hz。

4.根据权利要求1所述的哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，步骤(3)中采用的是浓度为15％的氢氟酸对应力施加区进行腐蚀。

5.根据权利要求1所述的哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，所述双折射光纤为双折射保偏熊猫光纤，双折射保偏熊猫光纤包括纤芯和两个应力施加区，所述纤芯掺杂锗，直径为6.0μm；所述两个应力施加区掺杂硼，直径为33μm。

6.根据权利要求1所述的哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，为描述腐蚀后的光纤，定义a为经过光纤纤芯的最长边光纤尺寸，b为经过纤芯的最短边光纤尺寸，a，b被腐蚀的大小不同，两个偏振光所受的外界因数的影响也就不同，其双折射率，两个共振偏振波长的差值也不同。

7.根据权利要求6所述的哑铃型结构光纤光栅的制备方法，其特征在于，a被腐蚀为74.0μm，b被腐蚀为7.0μm。

8.一种温度不敏感折射率传感器，其特征在于，包括沿光传输路径顺序连接的宽带光源、利用权利要求1的方法制备成的哑铃型光纤光栅、偏振控制器、偏振分光器和光谱分析仪；其中偏振控制器用于调整偏振状态，偏振分光器用于分离两个偏振态的偏振光；其工作方式为：由宽带光源发出的光经过哑铃型光纤光栅形成两个偏振光，因其对所受外界因数的影响有不同的反应，经偏振控制器调整偏振状态，再由偏振分光器分出两个不同状态下的偏振光，分别接入光谱分析仪，得出两个偏振光的波长差。

9.根据权利要求8所述的温度不敏感折射率传感器，其特征在于，所述哑铃型光纤光栅是采用193nm准分子激光器和相位掩膜刻蚀技术在双折射保偏光纤中刻入布拉格光栅，光栅周期为534.42nm，然后采用化学腐蚀来刻蚀双折射保偏光纤，形成高双折射的哑铃结构光纤光栅。

10.根据权利要求8所述的温度不敏感折射率传感器，其特征在于，所述两个波长差△λ公式为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{B}{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\λ}}_g---\left(1\right)$

其中为这个模型的双折射率，为两个偏振波长的平均值， $\mathrm{\Γ}=n_g-\mathrm{\λ}\·{\∂n}_g/\∂\mathrm{\λ},$ $n_g=(n_{\mathrm{eff}}^x+n_{\mathrm{eff}}^y)/2$ 为两个偏振光的平均折射率，为在y轴上的有效折射率，为在y轴上的有效折射率，为在x轴传播光的有效波长，为在y轴传播光的有效波长，由此可以看出波长差△λ与B成正比，与Γ成反比，更高的B值将产生更大的波长差△λ，随着氢氟酸对熊猫光纤的涂覆层的腐蚀，外部环境对纤芯的应力也会随之变化，从而影响两个偏振光的双折射率，使两个偏振光波长差△λ也随之变化。