CN105353458A - 线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，其特征在于：所述光纤包层表面Bragg光栅设置在单模光纤的光纤包层的外表面；该光纤包层表面Bragg光栅由若干条线状沟槽构成；且若干条线状沟槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向分布；本发明结构独特，制作方法简单，微型化，光纤化；本发明具有类似长周期光纤光栅对外部介质敏感的特性；同时具有很高的Q值因子，比长周期光纤光栅具有低得多的温度/应变交叉敏感效应；温度、压力及应变的灵敏度比传统光纤Bragg光栅高，光纤包层的光栅区域具有明显的双折射效应；可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。

Description

线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅

技术领域

本发明涉及光纤Bragg光栅，具体涉及线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅。

背景技术

以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感器技术在20世纪70年代以来至今，极大的推动了人类社会的进步。光纤光栅按照周期大小可以分为光纤Bragg光栅(即，FBG，周期小于1μm)和长周期光纤光栅(周期为几十～几百μm)两种最基本的类型。目前，制作FBG的最常用方法是基于紫外曝光的相位掩膜板法，该方法要求光纤材料具有光敏性，而且需要通过载氢的方法来增加其光敏性。2007年，英国Aston大学的I.Bennion等使用800nm的飞秒激光器在单模光纤的纤芯内成功的写入了一阶、二阶和四阶的Bragg光栅，该方法能够直接造成光纤纤芯表面或内部的周期性结构性损坏点，所构成的纤芯Bragg光栅具有许多特点，比如：1)对光纤材料没有特殊的要求，不要求光纤具有光敏性，也不需要载氢处理等复杂耗时的处理过程；2)可以方便快捷的写入所需的任何周期的Bragg光栅；3)由于是属于结构性的损坏且写入的周期性结构不处于光纤的圆对称中心轴位置，因此写入的Bragg光栅具有很高的纤芯双折射效应。4)由于光栅是纤芯内部的结构性损坏形式，因此引入的平均折射率变化幅度较传统的紫外曝光法写入的光栅大得多，所以可仅制作很少的光栅周期即可获得很高的光谱反射率。

目前，使用飞秒激光器刻写的FBG，其光栅位置都是写在纤芯的内部或纤芯与包层的交界面。飞秒激光器刻写的这类FBG具有一些特殊的传感特性，比如：可在极高的温度(800℃)以上保持良好的温度敏感线性特性。但是，飞秒激光刻写在纤芯的内部或纤芯与包层的交界面的Bragg光栅，仍然与传统的紫外曝光的相位掩膜板法写入纤芯的Bragg光栅一样，本质上对外部介质折射率不敏感。

过去十多年，为了使得传统FBG对外部介质折射率进行传感，许多人采用化学溶液腐蚀或侧面研磨的方法去除FBG的全部包层或大部分包层，形成微米直径量级的Bragg光栅(直径3μm～15μm、长度1mm～20mm)，于是可使其纤芯模的倏逝场透射到外部待测介质中，则FBG将对外部介质折射率的变化将十分敏感，从而可将其应用于生物化学、医学、生命科学等相关领域的各种参量的检测。但化学腐蚀或侧面研磨FBG包层的方法存在许多的缺点，比如：无法保证光栅表面的均匀性，因此使得光栅的谐振光谱展宽，导致传感中的测量精度降低，甚至无法使用；降低了FBG的机械强度，导致使用过程中操作困难、容易折断；化学腐蚀或侧面研磨的过程耗时较长，过程不好控制，重复性不好。而目前，本发明所提出的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅传感器，国内外尚无相关报道。

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅。

为了解决上述技术问题，根据本发明的技术方案，一种线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，其特点是：所述光纤包层表面Bragg光栅设置在单模光纤的光纤包层的外表面；该光纤包层表面Bragg光栅由若干条线状沟槽构成；且若干条线状沟槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向分布；所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，该直线与光纤中心轴平行。

本发明线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅对折射率十分敏感的原理是：由于Bragg光栅结构处于包层的外表面边界，所以该Bragg光栅对高阶包层模的光波场中符合谐振条件的光波长的反射明显大于对低阶包层模的光波场中符合谐振条件的光波长的反射，又由于外部介质折射率变化对高阶包层模的倏逝场的影响远大于低阶包层模的倏逝场的影响，因此，当外部待测介质的折射率发生变化的时候，会改变各阶包层模的有效折射率，从而导致光纤包层表面Bragg光栅所反射的各阶包层模的谐振波长的漂移，而且高阶包层模的谐振波长漂移会明显大于低阶包层模的谐振波长漂移。

光纤包层表面Bragg光栅由于Bragg光栅固有的窄谐振带宽特性，因此，光纤包层表面Bragg光栅即具有类似长周期光纤光栅对外部介质敏感的特性，同时具有很高的Q值因子；其次，光纤包层表面Bragg光栅还保留了传统光纤Bragg光栅相对于长周期光纤光栅低得多的温度、应变灵敏系数，因此，光纤包层表面Bragg光栅较长周期光纤光栅具有低得多的温度/应变交叉敏感效应；而且，由于Bragg光栅是处于光纤包层的外表面，因此外部温度、压力及应变等物理参数对其Bragg结构的影响将不同于对传统的写在纤芯内部的Bragg光栅结构的影响，即温度、压力及应变的灵敏度比传统FBG高；同时，该光纤Bragg光栅设置在光纤包层的外表面，对光纤包层外表面进行结构性损坏，非光纤中心轴对称的结构，因此其光纤包层的光栅区域具有明显的双折射效应。利用以上光纤包层表面Bragg光栅所具有的特性，可将其用于检测如折射率、声场、超声波、pH值、湿度等外部参量。

根据本发明所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的一个优选方案，线状沟槽的槽深度<0.5μm，槽宽度小于光纤包层表面Bragg光栅(4)周期的一半，槽道的长度在光纤包层横截面周长的1/4～1之间。

根据本发明所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的一个优选方案，光纤各阶包层模的谐振波长在1200nm～1800nm之间。

本发明所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的有益效果是，本发明结构独特，制作方法简单，微型化，光纤化；本发明具有类似长周期光纤光栅对外部介质敏感的特性；同时具有很高的Q值因子，比长周期光纤光栅具有低得多的温度/应变交叉敏感效应；温度、压力及应变的灵敏度比传统FBG高，光纤包层的光栅区域具有明显的双折射效应，可广泛应用于生物、化工、医学、生命科学等领域。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是本发明所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅结构示意图。

图2飞秒激光器制作线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的系统示意图。

图3飞秒激光器制作的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的显微镜观察图。

具体实施方式

参见图1，一种线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，包括：光纤涂覆层1、光纤包层2、光纤纤芯3；所述光纤包层表面Bragg光栅4设置在单模光纤的光纤包层2的外表面；该光纤包层表面Bragg光栅4由若干条线状沟槽构成；且若干条线状沟槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤包层外表面进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向延伸；所有线状沟槽相互平行，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，该直线与光纤中心轴平行。

线状沟槽的槽深度<0.5μm，槽宽度小于该光纤包层表面Bragg光栅(4)周期的一半，线状沟槽槽道的长度在光纤包层横截面周长的1/4～1之间。该光纤包层表面Bragg光栅的长度在1mm～20mm之间；写入的光纤Bragg光栅的周期必须保证光纤各阶包层模的谐振波长落在1200nm～1800nm。

具体制作本发明所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，可采用800ns飞秒激光器或聚焦离子束技术在单模光纤的包层外表面，逐线写入若干条线状沟槽，且若干条线状沟槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；并对光纤包层外表面进行结构性损坏；写入的光栅周期必须保证其光纤各阶包层模的谐振波长落在1200nm～1800nm之间，写入的光栅可以是一阶、二阶、三阶或四阶光栅，其包层模的谐振波长公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_m^k=2n_{eff\_cl}^k\&CenterDot;\mathrm{\&Lambda;}/m$

式中，m表示光纤包层表面Bragg光栅的阶数，k表示光纤包层模的阶数，表示第k阶包层模的谐振波长，表示第k阶包层模的有效折射率，Λ表示光纤包层表面Bragg光栅的周期。因此，首先可根据已知的单模光纤的结构参数计算出第k阶包层模的有效折射率并设计所需要的谐振波长光栅阶数m之后，由公式即可计算出需要写入的光纤包层表面Bragg光栅的周期Λ的大小。

使用飞秒激光器制作线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的方案如图2所示：重频1kHz的飞秒激光器5发射120fs～150fs的800nm激光脉冲，电子开关6控制光路的通断，然后通过一个衰减可控的半波片7和格兰氏棱镜8形成线偏振光，再用光束分束片9对光束进行分束，最后通过一个放大倍数为100×的倒置的显微物镜10将激光光束聚焦到光纤包层2的表面。电控2D精密位移平台11上固定有一个表面极其光滑的平板型光纤夹具12，光纤夹具12将光纤固定于X或Y方向。整个制作过程使用CCD摄像机13进行监控。可用预先编制的电脑程序控制2D精密位移平台11在X、Y方向的位移，配合电子开关6控制激光光路的通断，从而控制激光光束的聚焦点在光纤包层的表面上写入预先设计的周期性线状沟槽，最终构成所需要的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅传感器。

参见图3为使用800nm飞秒激光器制作的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅的显微观察图。

此外，飞秒激光器或聚焦离子束写入的线状沟槽的槽深度<0.5μm，而槽宽度要小于光纤Bragg光栅的周期Λ的一半，以保证能够获得清晰的光栅条纹。此外，槽道的长度在光纤包层横截面周长的1/4～1之间。

在实际应用中，可将此线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅与长周期光纤光栅、常规FBG或极大倾角光纤光栅等器件组合在一根单模光纤上，然后在其表面涂覆一层功能材料或者采取某种封装方式，从而构成各种不同应用的多种参量测量如：折射率、生物化学量、温度、湿度、压力、应变、pH值的新型功能化光纤传感器。

Claims (3)

1.一种线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，其特征在于：所述光纤包层表面Bragg光栅(4)设置在单模光纤的光纤包层(2)的外表面；该光纤包层表面Bragg光栅(4)由若干条线状沟槽构成；且若干条线状沟槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向分布。

2.根据权利要求1所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，其特征在于：线状沟槽的槽深度<0.5μm，槽宽度小于光纤包层表面Bragg光栅(4)周期的一半，槽道的长度在光纤包层横截面周长的1/4～1之间。

3.根据权利要求1或2所述的线状沟槽型光纤包层表面Bragg光栅，其特征在于：光纤各阶包层模的谐振波长在1200nm～1800nm之间。