CN108181023A - 一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的输出端与光闸的输入端连接，并且光闸的输出端与高精度移动平台的输入端连接，所述高精度移动平台的输出端与光谱仪的输入端连接，并且高精度移动平台的输入端与宽带光源的输出端连接。该纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法，飞秒激光加工技术具有传统激光加工技术中加工精高度、操作简便、效率高的技术特点，又凭借其飞秒量级的超短脉宽和帕瓦量级的超强峰值功率在光纤微纳材料的高精密、高分辨率和低损伤的加工中显示出其独特的优势，此方法不需要光敏光纤，光栅周期可以灵活选取，并且刻写的光栅具有很高的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤温度与应变测试技术领域，具体为一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法。
背景技术
光纤光栅在光纤激光器和光纤传感领域的研究和应用非常重要，光栅周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，其特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间耦合，基本无后向反射光，属于透射型带阻滤波器。与光纤布拉格光栅相比，长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，具有更大的温度灵敏度系数，作为温度传感器能够对800℃的高温进行测量；同时，在光纤激光器领域，利用其敏感特性可以对透射谱峰进行调谐，作为可调谐滤波器能够实现波长可切换激光输出。因此，长周期光纤光栅具有更多的优点，在光纤传感和光纤激光领域具有更大的发展潜力和应用前景。A.M.Vengsarkar等人于1996年首次在载氢光纤上成功刻写长周期光纤光栅，在此基础上，国内外对长周期光纤光栅的制作方法进行了全面的研究，在1200-1600nm范围内实现了LPFG的制备，但是在1800-1900nm光谱范围内制备LPFG仍然鲜有报道，而该波段光对大气和烟雾的穿透能力强，在军事上可用于激光测距和激光雷达，在石油开采、天然气管道泄露探测、大气中温室气体探测等领域都具有重大的研究意义和广阔的应用前景。
目前，光纤光栅在诸多的领域都有较高的使用效率，不具备传统激光加工技术中加工精高度、操作简便、效率高的技术特点，需要光敏光纤的配合使用，光栅周期达不到灵活的选取，并且刻写的光栅的热稳定性相对较低，在现代工业加工中的研究数据更加的缺失。
基于飞秒激光制备光纤光栅主要有掩模法和直写法，掩模法是指将掩模板放置于光纤上方，采用飞秒激光照射工作波长为800nm的掩模板，使光纤纤芯发生折射率变化，虽然该方法成栅一致性较好，但是由于掩模板成本较高，且制备LPFG灵活性较差，因此，本项目针对飞秒激光直写技术制备LPFG进行研究。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法，解决了目前光纤光栅在诸多的领域都有较高的使用效率，不具备传统激光加工技术中加工精高度、操作简便、效率高的技术特点，需要光敏光纤的配合使用，光栅周期达不到灵活的选取，并且刻写的光栅的热稳定性相对较低，在现代工业加工中的研究数据更加缺失的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的输出端与光闸的输入端连接，并且光闸的输出端与高精度移动平台的输入端连接，所述高精度移动平台的输出端与光谱仪的输入端连接，并且高精度移动平台的输入端与宽带光源的输出端连接。
优选的，所述宽带光源包括光纤激光，并且光纤激光的输出端与波分复用器的输入端连接，所述波分复用器的输出端与掺铥光纤的输入端连接，并且掺铥光纤的输出端与高精度移动平台的输入端连接。
优选的，所述光纤激光、波分复用器、掺铥光纤、高精度移动平台和光谱仪之间依次通过单模光纤连接。
优选的，所述飞秒激光器采用800nm，并且宽带光源采用1.8--1.9μm，所述光纤激光采用793nm。
优选的，所述基于粗锥马赫-曾德干涉仪结构总光强I为
其中I1、I2和分别为单模光纤中纤芯和包层的光强和相移差，且
其中，n1和n2分别为纤芯和包层的有效折射率，L1和L2分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有
由公式1和公式3可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数
2πLΔn/λ＝2mπ (4)
经过简化，公式4表示为
m＝LΔn/λ (5)
对公式5中λ进行求导可得
Δm/Δλ＝-LΔn/λ2 (6)
取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为
|Δλ|＝λ2/LΔn (7)。
本发明还公开了一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统的使用方法，具体包括以下步骤：
S1、首先，进行温度实验：粗锥光纤和LPFG处于同一温度环境下，实验中把LPFG和TCF放于温箱中，改变温箱温度，利用光谱仪监测系统透射光谱的变化；
S2、接下来，进行应变测试：先对LPFG施加应力，由于TCF对周围环境比较敏感，因此应变实验中需要将单模光纤固定在高精度移动平台上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；
S3、再对TCF施加应力：将单模光纤固定在高精度移动平台上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；
S4、利用TCF透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量，由于保偏光纤受到轴向应力时，谐振峰波长变化，而LPFG受到轴向应力时，谐振峰强度变化，基于此可区分出应力施加位置。
优选的，所述马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系：
Δλ＝K11ΔT+K12Δε (8)
其中K11为温度灵敏度系数，K12为应变灵敏度系数。马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，可以表示为：
ΔP＝K21ΔT+K22Δε (9)
其中，K21为温度灵敏度系数，K22为应变灵敏度系数，因此由公式8和9可以得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵：
(三)有益效果
本发明提供了一种纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法。具备以下有益效果：该纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法，通过利用飞秒激光光源，采用逐点刻写方法在各种光纤内制作布拉格光栅用于光纤传感和光纤激光等领域的研究已经成为热点，飞秒激光加工技术具有传统激光加工技术中加工精高度、操作简便、效率高的技术特点，又凭借其飞秒量级的超短脉宽和帕瓦量级的超强峰值功率在光纤微纳材料的高精密、高分辨率和低损伤的加工中显示出其独特的优势。利用飞秒激光脉冲照射硅基材料能产生永久性的折射率变化，采用飞秒激光直写或者相位掩模技术调制纤芯折射率，可在光纤中制造出光纤光栅结构，此方法不需要光敏光纤，光栅周期可以灵活选取，并且刻写的光栅具有很高的热稳定性，综上所述，飞秒激光加工技术已经成为现代工业加工中的研究热点之一，国内外研究机构采用飞秒激光加工技术制备长周期光纤光栅已经取得了一定的研究成果。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明熔接机制备MZI结构图；
图3为本发明温度变化曲线图；
图4为本发明强度变化曲线图；
图5为本发明LPFG强度和波长随应变的变化曲线一图；
图6为本发明LPFG强度和波长随应变的变化曲线二图；
图7为本发明LPFG强度和波长随应变的变化曲线三图；
图8为本发明LPFG强度和波长随应变的变化曲线四图；
图中，1飞秒激光器、2光闸、3高精度移动平台、4光谱仪、5宽带光源、6光纤激光、7波分复用器、8掺铥光纤、9单模光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，如图1-8所示，包括飞秒激光器1，飞秒激光器1的输出端与光闸2的输入端连接，并且光闸2的输出端与高精度移动平台3的输入端连接，高精度移动平台3的输出端与光谱仪4的输入端连接，并且高精度移动平台3的输入端与宽带光源5的输出端连接，宽带光源5包括光纤激光6，并且光纤激光6的输出端与波分复用器7的输入端连接，波分复用器7的输出端与掺铥光纤8的输入端连接，并且掺铥光纤8的输出端与高精度移动平台3的输入端连接，光纤激光6、波分复用器7、掺铥光纤8、高精度移动平台3和光谱仪4之间依次通过单模光纤9连接，飞秒激光器1采用800nm，并且宽带光源5采用1.8--1.9μm，光纤激光6采用793nm。
基于粗锥马赫-曾德干涉仪结构总光强I为
其中I1、I2和分别为单模光纤9中纤芯和包层的光强和相移差，且
其中，n1和n2分别为纤芯和包层的有效折射率，L1和L2分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有
由公式1和公式3可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数
2πLΔn/λ＝2mπ (4)
经过简化，公式4表示为
m＝LΔn/λ (5)
对公式5中λ进行求导可得
Δm/Δλ＝-LΔn/λ2 (6)
取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为
|Δλ|＝λ2/LΔn (7)。
由公式7可知，该马赫-曾德梳状滤波器的梳状谱中，相邻峰值的波长间隔与中心波长、粗锥之间的光纤长度和纤芯与包层的折射率差有关。当中心波长一定时，相邻峰值的波长间隔是两锥间光纤长度和纤芯与包层间折射率差的函数。
利用马赫曾德透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量。
LPFG直写系统将飞秒激光器1产生的飞秒激光经过光路调整后进入高精度加工平台中，通过控制平台中的光开关，对飞秒激光进行脉冲调制，系统中的宽带光源5波段为1500--1620nm，由于LPFG只存在透射谱，将SMF单模光纤9另一端与光谱仪4连接，能够对LPFG刻写状态进行实时监测。
本发明还公开了一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统的方法，具体包括以下步骤：
S1、首先，进行温度实验：粗锥光纤和LPFG处于同一温度环境下，实验中把LPFG和TCF放于温箱中，改变温箱温度，利用光谱仪4监测系统透射光谱的变化；当温度升高，分别选取TDF干涉谱中某一点和LPFG的波谷作为测试对象，绘制其温度变化曲线，如图3所示。随着温度升高LPFG的波长向长波方向移动，波长变化对温度的灵敏度系数可以求出，由于对LPFG进行了温度曾敏，因此其温度的灵敏度系数要高于常规LPFG，而LPFG的强度对温度变化较小，随着温度升高，其强度变化曲线如图4所示，强度变化对温度的灵敏度系数可以求出。
S2、接下来，进行应变测试：先对LPFG施加应力，由于TCF对周围环境比较敏感，因此应变实验中需要将单模光纤9固定在高精度移动平台3上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台3上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；随着应力的增加，LPFG的谐振峰向短波方向移动，LPFG强度和波长随应变的变化曲线如图5--8所示，可以求出波长变化对应变的灵敏度，验证在应变实验中波长几乎不发生漂移。由于LPFG的长度远远小于TCF长度，LPFG自身对应变的灵敏度小于TCF对应变的灵敏度。而强度变化对应变的灵敏度也可求。
S3、再对TCF施加应力：将单模光纤9固定在高精度移动平台3上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台3上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；随着应力增加，LPFG处波长向长波方向移动，可以求出波长对应波长对应变灵敏度以及强度对应变灵敏度。根据温度和应变实验中得到的相关灵敏度系数，代入公式10中得到LPFG的温度与应变传感矩阵，以及TCF的温度与应变传感矩阵，由这两个矩阵可以判断出是LPFG还是TCF受到的应变。
S4、利用TCF透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量，由于保偏光纤受到轴向应力时，谐振峰波长变化，而LPFG受到轴向应力时，谐振峰强度变化，基于此可区分出应力施加位置。
在芯径尺寸为9/125微米的单模光纤9上采用飞秒激光直写的方法刻写长周期光纤光栅(LPFG)，LPFG的透射波长在1.5微米波段。将刻有LPFG的单模光纤9两端与芯径尺寸为9/125微米的SMF-28E光纤熔接，构成马赫曾德结构。马赫曾德梳状滤波结构将会对LPFG进行调制。
当环境温度或者应变发生改变，光栅周期、长度和纤芯与包层传导模的有效折射率也会发生改变，似的透射光谱的形状与强度分布也随之改变，马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系：
Δλ＝K11ΔT+K12Δε (8)
其中K11为温度灵敏度系数，K12为应变灵敏度系数。马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，可以表示为：
ΔP＝K21ΔT+K22Δε (9)
其中，K21为温度灵敏度系数，K22为应变灵敏度系数，因此由公式8和9可以得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵：
通过光谱仪4检测粗锥光纤马赫曾德透射谱谐振峰的波长变化值△λ和强度变化值△P，代入公式10就可以得出环境温度和应变的改变情况。
本发明涉及一种采用飞秒激光在两个粗锥光纤结构中直写长周期光纤光栅对温度和应变进行测量的方法，其特征是采用飞秒激光对单模光纤9进行加工，刻写长周期光纤光栅；另外，两个粗锥光纤由熔接机制备构成马赫曾德干涉结构，结合长周期光纤光栅实现对温度和应变的测量。
1999年，日本京都大学的Yuki Kondo等人将中心波长800nm，脉宽120fs，重复频率为200kHz的飞秒激光用20×的显微物镜聚焦到标准单模光纤9(Single mode fiber,SMF)纤芯内刻出周期为460μm，长度约3mm的长周期光纤光栅，损耗峰波长在1320nm附近，透射强度峰值为-15dB(反射率为96.84％)，对该光栅的热稳定性研究结果表明在温度小于500℃时损耗峰波长与未进行热处理前的相同，从而证明该刻写方法具有很高的热稳定性。
2005年，M.Dubov等人使用352nm波段飞秒激光器1采用逐点刻写法在普通单模光纤9(SMF-28e)上刻写得到长周期光纤光栅，其在1380nm附近谐振峰深度达到近-30dB。2006年,该团队又使用800nm飞秒激光器1刻写得到长周期光纤光栅，谐振峰深度约为-14dB。2005年，.Kalachev等人使用264nm飞秒激光器1在载氢后的普通单模光纤9中刻写得到谐振峰深度为-25dB的长周期光纤光栅，谐振波长为1500nm。
2006年南开大学N.Zhang等人利用800nm飞秒激光在SMF-28e锗硅光纤内成功写入了强度为8dB的LFBG，但是其透射光谱只有一个波长在附近的谐振主峰，且光谱后向反射损耗较大。
2006年，B.Gilberto等人首次用264nm飞秒激光逐点扫描光子晶体光纤写出强度达20dB的长周期光纤光栅，谐振波长出现在1500-1600nm范围。
2009年香港理工S J Liu等人将波长800nm，重频1kHz的脉冲激光通过显微镜聚焦，在SMF-28e光纤上实现了线宽小于10nm，谐振深度为15dB的LPFG；2010年该团队提出了一种利用飞秒激光在光子晶体光纤上写制结构型长周期光纤光栅的方法，获得了谐振波长为1550nm的透射峰。LPFG的栅区长度只有4mm，光栅谐振强度大于20dB，器温度和拉伸应变灵敏系数分别为7.81pm/℃，-1.91pm/με。下图分别是LFBG的实验装置图以及LPFG的透射光谱。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，包括飞秒激光器(1)，其特征在于：所述飞秒激光器(1)的输出端与光闸(2)的输入端连接，并且光闸(2)的输出端与高精度移动平台(3)的输入端连接，所述高精度移动平台(3)的输出端与光谱仪(4)的输入端连接，并且高精度移动平台(3)的输入端与宽带光源(5)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述宽带光源(5)包括光纤激光(6)，并且光纤激光(6)的输出端与波分复用器(7)的输入端连接，所述波分复用器(7)的输出端与掺铥光纤(8)的输入端连接，并且掺铥光纤(8)的输出端与高精度移动平台(3)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述光纤激光(6)、波分复用器(7)、掺铥光纤(8)、高精度移动平台(3)和光谱仪(4)之间依次通过单模光纤(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述飞秒激光器(1)采用800nm，并且宽带光源(5)采用1.8--1.9μm，所述光纤激光(6)采用793nm。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述基于粗锥马赫-曾德干涉仪结构总光强I为
其中I1、I2和分别为单模光纤中纤芯和包层的光强和相移差，且
其中，n1和n2分别为纤芯和包层的有效折射率，L1和L2分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有
由公式1和公式3可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数
2πLΔn/λ＝2mπ (4)
经过简化，公式4表示为
m＝LΔn/λ (5)
对公式5中λ进行求导可得
Δm/Δλ＝-LΔn/λ2 (6)
取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为
|Δλ|＝λ2/LΔn (7)。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统的使用方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、首先，进行温度实验：粗锥光纤和LPFG处于同一温度环境下，实验中把LPFG和TCF放于温箱中，改变温箱温度，利用光谱仪(4)监测系统透射光谱的变化；
S2、接下来，进行应变测试：先对LPFG施加应力，由于TCF对周围环境比较敏感，因此应变实验中需要将单模光纤(9)固定在高精度移动平台(3)上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台(3)上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；
S3、再对TCF施加应力：将单模光纤(9)固定在高精度移动平台(3)上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台(3)上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；
S4、利用TCF透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量，由于保偏光纤受到轴向应力时，谐振峰波长变化，而LPFG受到轴向应力时，谐振峰强度变化，基于此可区分出应力施加位置。
7.根据权利要求6所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统的方法，其特征在于：所述马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系：
Δλ＝K11ΔT+K12Δε (8)
其中K11为温度灵敏度系数，K12为应变灵敏度系数。马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，可以表示为：
ΔP＝K21ΔT+K22Δε (9)
其中，K21为温度灵敏度系数，K22为应变灵敏度系数，因此由公式8和9可以得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵：
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