CN107990920A - 一种具有双生谐振干涉峰的光纤传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有双生谐振干涉峰的光纤传感器，由一段单模光纤和一段全固光子带隙光纤构成，所述全固光子带隙光纤上刻有级联长周期光栅。该传感器可在恶劣环境条件下工作，可避免在扭转测量中不同物理参量之间的交叉敏感的现象同时可实现对多个物理参量的监控；该传感器透射谱具有双生谐振干涉峰，不同区域的干涉峰对扭转和温度响应特性不同，并且该传感器对外界折射率变化不敏感、插损小，可用于温度和扭转双参量传感；该传感器制造简单、可靠性好、结实紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别地涉及一种具有双生谐振干涉峰的可用于温度与扭转双参量测量的光纤传感器及其制造方法。
背景技术
安全监控与传感一直是石油管道、桥梁、建筑等工程中非常重要的一部分。一般来说，建筑物的健康状况主要反映在弯曲、扭转、轴向应力、温度、荷载压力等几个物理参数上，扭转是其中最重要的几个力学参数之一。传统的机械式扭转传感器体积大、成本高，而且很难在恶劣环境下正常工作。
光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀等突出优点在各类环境监控与传感领域得到了广泛的应用。在扭转测量方面，光纤传感器主要分为拉锥光纤型、光纤光栅型、双折射保偏光纤型等。然而，受外界复杂环境的影响，普通光纤传感器在周围温度、折射率、轴向应力等参数变化时，也会出现与扭转相似的传感响应，从而难以解决不同物理参量之间的交叉敏感问题，也无法实现对多个物理参量同时进行监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有双生谐振干涉峰的光纤传感器，该传感器可在恶劣环境条件下工作，可避免在扭转测量中不同物理参量之间的交叉敏感的现象同时可实现对多个物理参量的监控；该传感器透射谱具有双生谐振干涉峰，不同区域的干涉峰对扭转和温度响应特性不同，并且该传感器对外界折射率变化不敏感、插损小，可用于温度和扭转双参量传感；该传感器制造简单、可靠性好、结实紧凑。
本发明的另一目的是提供上述具有双生谐振干涉峰的光纤传感器的制造方法，该方法制造简单，重复性高，可靠性好，同时可以制造光纤长度、干涉波长、干涉条纹间距可调的光纤模间干涉仪。
如上构思，本发明的技术方案是：一种具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：由一段单模光纤和一段全固光子带隙光纤构成，所述全固光子带隙光纤上刻有级联长周期光栅。
上述具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器的制造方法，包括如下步骤：
①将全固光子带隙光纤两端通过单模光纤分别与超连续光源及光谱仪相连；
②将全固带隙光纤两边的单模光纤一端固定，另一端加载砝码，并将全固带隙光纤放置于二氧化碳激光打标机的加工区域；
③确定高能量二氧化碳激光打标机的输出激光脉冲能量参数及加工光栅周期和长度，在全固光子带隙光纤上实时同步刻写级联长周期光栅，反复刻写次数在15次以上；
④写制过程中实时观测透射光谱，通过调节偏振控制器，直至光谱图出现双生谐振干涉谱，并且干涉峰对比度达到设定值时，完成光栅的写制，从而形成所述光纤传感器。
上述全固光子带隙光纤与单模光纤熔接。
上述单模光纤的纤芯直径为8.3μm，直径125μm。
上述全固光子带隙光纤长度大于22mm、直径为125μm，基底材料层为纯二氧化硅层，包层由五圈低折射率环包围高折射率柱构成。
上述高折射率柱直径约为3.35μm。
上述低折射率环直径约为7.01μm，柱间距约为9.26μm。
上述光栅的栅格周期根据公式：λ＝(n1-n2)Λ确定，其中λ是模式耦合波长，n1和n2分别为参与耦合模式有效折射率，Λ为栅格周期。
上述级联长周期光栅的栅格周期均为160μm，栅格数为40个，对应双生谐振干涉峰范围覆盖1520nm-1620nm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过选取合适的光纤与干涉模式，将级联光栅长度压缩到二氧化碳激光器模板加工区域长度范围以内，从而可以一次实现两个光栅的同步刻写，克服了传统双光栅依次刻写导致的参数难以一致、干涉对比度小、重复性差的难题，实现了制造容易、对比度高、可靠性好、重复性高的级联光栅刻写方法。
2、本发明利用单侧曝光多次反复刻写技术，对全固光子带隙光纤引入了双折射，实现了不同波段处，纤芯基模与不同LP01传导超模的耦合与干涉，从而在光谱图上产生了双生谐振干涉特征，并且不同区域的干涉峰对于温度和扭转具有不同的传感响应特性，实现了温度-扭转双参量传感。
3、本发明干涉的模式为高折射率柱中的传导模式，与常见的包层模式相比，LP01传导超模损耗小、传输稳定，不易受外界其他因素干扰，因此该传感器对外界折射率变化不敏感，可靠性高，进一步避免了交叉敏感问题。
4、采用本发明方法制造的光纤传感器可用于温度和扭转双参量传感，该干涉仪不同区域对温度和扭转的敏感特性不同，通过选取不同的干涉波长，可以制造不同灵敏度的光纤传感器，并且可用于高温(800℃)等恶劣环境下的传感测量。
附图说明
图1是用于制造本发明的全固光子带隙光纤横截面示意图；
图2是本发明制造方法示意图；
图3是本发明中光纤传感器的透射光谱图；
图4是本发明中光纤传感器与外界温度变化的关系图；
图5是本发明中光纤传感器与外界扭转变化的关系图。
具体实施方式
参考图1、2：一种具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器的制造方法，包括如下步骤：
1、将全固光子带隙光纤两端通过单模光纤分别与超连续光源及光谱仪相连，全固光子带隙光纤与单模光纤对芯熔接，避免引起干涉效应，超连续光源波长范围需覆盖待加工干涉仪的波长变化范围。
①采用的单模光纤的纤芯直径为8.3μm，直径125μm。
②所用全固带隙光纤长度大于22mm，并且可根据需要改变全固带隙光纤长度以适应不同级联光栅间距，从而调节干涉条纹间距。在本发明实施例中，所用全固光子带隙光纤同时支持纤芯LP01模式与多个高折射率柱中LP01传导超模传输，横截面结构参考图1所示，全固光子带隙光纤直径为125μm，基底材料为纯二氧化硅，包层由5圈低折射率环(掺氟材料)包围着高折射率柱(掺锗材料)构成的，高折射率柱直径约为3.35μm，低折射率环直径约为7.01μm，柱间距约为9.26μm。
2、将全固带隙光纤两边的单模光纤一端用夹子固定，另一端加载重量为20g-50g之间的砝码，并将全固带隙光纤放置于二氧化碳激光打标机的加工区域。
3、确定双光栅的栅格周期、间隔长度等参数，绘制双光栅模板，确定高能量二氧化碳激光器的输出激光脉冲能量参数，在全固带隙光纤上实时同步刻写级联长周期光栅，反复刻写次数在15次以上。其中，光栅的栅格周期根据公式：λ＝(n1-n2)Λ确定，其中λ是模式耦合波长，n1和n2分别为参与耦合模式有效折射率，Λ为栅格周期。
在本发明实施例中，参与耦合的模式为全固光子带隙中的纤芯基模与不同的包层LP01传导超模，两个光栅的栅格周期均选为160μm，栅格数量均为40个，对应双生谐振干涉峰范围覆盖1520nm-1620nm。两个光栅之间距离可调，总长度在70mm以内，不超过二氧化碳激光器打标区域范围。根据以上参数绘制出双光栅模板，参照图2所示。
在本发明实施例中，二氧化碳激光打标机参数如下：有效矢量步长为0.0015mm，有效矢量步长延时为85μs，空矢量步长0.030mm，空矢量步长延时为20μs，Q switch频率为5.000kHz，Q释放时间为60μs，电流为10.000A。
4、写制过程中实时观测透射光谱，通过调节偏振控制器，直至光谱图出现双生谐振干涉谱，并且干涉峰对比度达到10dB以上时，完成双光栅的写制，从而形成所述光纤传感器。
利用上述制造方法获得的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，参考图2与图3，由一段单模光纤与一段全固光子带隙光纤构成，全固带隙光纤上刻写有级联长周期光栅，该光栅可以实现不同波段处，纤芯基模与包层不同传导超模之间的谐振干涉。该传感器的光谱图具有双生谐振干涉谱特征，不同区域的干涉峰对于温度和扭转具有不同的传感响应特性。优选地，所用全固光子带隙光纤、单模光纤、级联长周期光栅等物理参数均与上述制造方法所述的物理参数相同。
图3所示为本发明中光纤传感器的透射光谱图，该光谱图呈现双生谐振干涉图样，左右两段干涉谱分别由纤芯基模与两种不同的包层LP01传导超模谐振干涉而成。
图4所示为本发明中光纤传感器不同干涉峰对外界温度变化的响应特性，其波长随着外界温度升高往长波漂移，灵敏度分别为47.46pm/℃(A峰)，51.18pm/℃(B峰)；而干涉峰损耗在误差范围内基本不变。
图5所示为本发明中光纤传感器不同干涉峰对外界扭转变化的响应特性，本发明例中，扭转部分光纤总长度(包含全固光子带隙光纤与单模光纤)为210mm。从图5可以看出，不同干涉峰损耗对外界扭转响应不同，其中A峰对外界扭转响应非常灵敏，B峰损耗则变化缓慢；不同干涉峰波长随着外界扭转变化基本保持不变。
由此可见，我们可以监考不同干涉峰的损耗和波长变化情况来实现温度与扭转双参量传感。
本发明中未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (9)
1.一种具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：由一段单模光纤和一段全固光子带隙光纤构成，所述全固光子带隙光纤上刻有级联长周期光栅。
2.一种根据权利要求1所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：上述具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器的制造方法，包括如下步骤：
①将全固光子带隙光纤两端通过单模光纤分别与超连续光源及光谱仪相连；
②将全固带隙光纤两边的单模光纤一端固定，另一端加载砝码，并将全固带隙光纤放置于二氧化碳激光打标机的加工区域；
③确定高能量二氧化碳激光打标机的输出激光脉冲能量参数及加工光栅周期和长度，在全固光子带隙光纤上实时同步刻写级联长周期光栅，反复刻写次数在15次以上；
④写制过程中实时观测透射光谱，通过调节偏振控制器，直至光谱图出现双生谐振干涉谱，并且干涉峰对比度达到设定值时，完成光栅的写制，从而形成所述光纤传感器。
3.根据权利要求1所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：上述单模光纤的纤芯直径为8.3μm，直径125μm。
4.根据权利要求1所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：上述全固光子带隙光纤长度大于22mm、直径为125μm，基底材料层为纯二氧化硅层，包层由五圈低折射率环包围高折射率柱构成。
5.根据权利要求1所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：上述级联长周期光栅的栅格周期均为160μm，栅格数为40个，对应双生谐振干涉峰范围覆盖1520nm-1620nm。
6.根据权利要求2所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器的制造方法，其特征在于：上述全固光子带隙光纤与单模光纤熔接。
7.根据权利要求2所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器的制造方法，其特征在于：上述光栅的栅格周期根据公式：λ＝(n1-n2)Λ确定，其中λ是模式耦合波长，n1和n2分别为参与耦合模式有效折射率，Λ为栅格周期。
8.根据权利要求4所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：上述高折射率柱直径约为3.35μm。
9.根据权利要求4所述的具有双生谐振干涉峰的的光纤传感器，其特征在于：上述低折射率环直径约为7.01μm，柱间距约为9.26μm。
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| CN107990920B (zh) | 2020-06-26 |
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