CN108195411A - 基于飞秒刻写光纤f-p腔级联fbg的微结构传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于飞秒刻写光纤F‑P腔级联FBG的微结构传感器及其制备方法，本发明提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过飞秒激光直写加工光纤F‑P腔，并与准分子激光在SM‑28单模光纤上加工的切趾FBG级联，利用两种光学结构不同滤波及敏感特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器件领域，特别涉及一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器。
背景技术
20世纪70年代以来，光纤传感器件具有质量轻、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，已广泛应用于物理、化学、生物、医药、航空、航天等核心传感领，利用光纤传感器实现温度、应变、折射率、相对湿度和压强等多参数的测量已经成为研究热点之一。由于实际应用过程中交叉敏感问题普遍存在，近年来双参数传感器的研究受到广泛的关注，其中，应变与温度是两类重要的监测对象，也是其他物理量传感的技术基础。
2015年卞继城等在单模光纤上熔接双球形结构与细芯光纤制作马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉传感器实现对应变和温度的同时测量；同年，Tong Z等利用光纤锥形结构和球形结构相结合的方式制作了M-Z干涉传感器，并将其与光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)级联实现液位与温度测量；2016年，Wu S等人通过FBG连接侧面开口的光纤法布里-珀罗谐振腔，并应用于气体压力及温度测量。同年，Li X等人利用单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤制作了集成光纤F-P干涉仪与M-Z干涉仪的光纤传感器，通过分别观测F-P干涉仪的反射光谱与M-Z干涉仪的透射光谱，实现对折射率和温度的双参数测量。
然而，目前大多数研究是将不同结构光纤通过级联的方式连接构成干涉结构，实现双参数测量，而利用飞秒激光直写制作本征型F-P干涉传感器实现双参数同时测量的研究相对较少。此外，均匀FBG反射谱两侧有较多旁瓣，这是由于光栅两端折射率突变形成F-P腔谐振产生，旁瓣的存在大大降低了FBG的波长选择性，通过对折射率分布加适当的切趾函数可以抑制旁瓣，显著提高滤波特性。
因此，需要一种可实时结算环境温度和应变的基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模包括F-P腔结构，所述第二单模光纤包括切趾FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，构成微结构传感器。
优选地，所述第一单模光纤采用H1060光纤。
优选地，所述第二单模光纤采用SM-28单模光纤。
优选地，所述F-P腔结构为由两个反射端面构成的腔长为50μm的微腔，其中，两个反射端面为相互平行的直线。
本发明利用准分子激光在SM-28单模光纤上加工得到切趾FBG，与飞秒激光加工得到的F-P腔级联并观测其反射谱，该级联光纤传感器1520-1610nm波长范围内，FBG反射谱波峰位于1550.2470nm，最高对比度为-33.3dB；光纤F-P腔反射谱清晰明显，波长位置为1594.4065nm的特征波谷的对比度为-10.7dB。
本发明还提供一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用飞秒激光加工系统对单模H1060光纤进行直写，得到光纤F-P腔结构；
步骤二：利用准分子激光加工单模光纤，得到切趾FBG；
步骤三：利用光纤熔接机将上述光纤F-P腔结构与切趾FBG级联，得到微结构传感器。
优选地，在步骤一中，所述飞秒激光器发出超窄脉宽飞秒激光经聚焦物镜聚焦至已开窗的单模HI1060光纤纤芯上，GUI控制平台移动和光斑闭合，通过高精度光谱分析仪实现刻写过程的实时监测。
优选地，所述飞秒激光器的加工速度为80μm/s，刻线长度25μm，刻写的F-P腔长为50μm。
优选地，在步骤二中，所述单模光纤采用SM-28单模光纤。
本发明提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过飞秒激光直写加工光纤F-P腔，并与准分子激光在SM-28单模光纤上加工的切趾FBG级联，利用两种光学结构不同滤波及敏感特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。
当应变ε单独变化时，FBG波长偏移量为：
其中，λFBG是FBG干涉条纹波长，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数。
当温度T单独变化时，FBG波长偏移量为：
其中，αT1是FBG所用光纤的热膨胀系数，ζT1是FBG所用光纤的热光系数。
利用飞秒激光在光纤中加工出两个锥形槽作为F-P腔的反射端面，经过端面反射的光会在纤芯中发生耦合。由于两束反射光的相位差异产生不同的干涉光强，对应反射光谱的不同峰值，形成干涉光谱。当两锥形反射槽之间的相位差满足π的奇数倍时，干涉强度取最小值：
其中，I1和I2表示两个锥形槽的反射光强，L是F-P腔长，n为光纤纤芯的有效折射率，为两束发射光的初始相位差，k为整数，λF-P为光纤F-P干涉光谱中波谷的对应波长。
当F-P腔内光程发生变化时，对波长λk求导可得：
式中，Δ(nL)表示F-P腔内光程变化，Δλk为干涉光谱中波谷的波长漂移。
当应变ε单独变化时，应变效应与光弹效应也会导致光纤F-P腔光程差发生变化：
Δ(nL)＝nL(ξ+ρ)Δε (5)
其中，ξ与ρ分别为光纤材料的应变系数和光弹系数。
比较式和式可知，光纤F-P腔与FBG对于应变的灵敏度趋势相同，但线性系数不同，组成级联结构后两者对应变的波长漂移不会存在串扰。
同理，当温度T单独变化时，热光效应与热膨胀效应导致光纤F-P腔光程差发生变化，即：
Δ(nL)＝nL(αT2+ζT2)ΔT (7)
由和可得：
式中，αT2是F-P腔所用光纤的热膨胀系数，ζT2是F-P腔所用光纤的热光系数。
比较式与式可知，光纤F-P腔与FBG对于温度的灵敏度趋势相同，均呈线性关系，具体数值区别主要体现在光纤材料上。要使得级联传感器的两处光学结构温度灵敏度不同，必须使用热膨胀系数与热光系数不同的光纤进行加工。本发明选用H1060光纤和SM-28单模光纤。
设外界应变ε和温度T发生变化时，FBG和光纤F-P腔的反射谱波长变化ΔλFBG、ΔλF-P与应变变化Δε、温度变化ΔT的相关关系可表述如下：
其中：Kε1、KT1分别为FBG的应变灵敏系数、温度灵敏系数；Kε.2、KT.2分别为光纤F-P腔的应变灵敏系数、温度灵敏系数。
由可得，FBG和光纤F-P腔的应变、温度、波长漂移存在如下关系：
求逆可得：
由可知，若测得该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入对外界环境温度与应变进行监测，实现温度与应变的双参数测量。
本发明基于飞秒激光直写加工光纤F-P腔级联切趾FBG的微结构光纤传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段，利用不同光纤微结构对入射光的滤波特性，在不同波长位置构建特征波峰或波谷，通过各波峰或波谷对环境因素变化的灵敏度差异，实现环境参数的测量与解调。同时，本发明提出的微结构也可通过对多环境因素的独立性测试，为多因素的耦合测量与解耦提供参考价值。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明的飞秒激光直写光纤F-P腔的加工系统结构示意图。
图2示出了本发明的微结构传感器的反射谱图。
图3示出了本发明的微结构传感稳定性测试的各特征峰的光谱图。
图4示出了应变过程传感器FBG特征光谱及响应，其中，(a)为加载过程中传感器FBG特征峰的光谱图；(b)为卸载过程中传感器FBG特征峰的光谱图；(c)为应变过程中传感器FBG应变响应。
图5为应变过程中传感器光纤F-P腔特征谷光谱及响应，其中，(a)为加载过程中传感器光纤F-P腔特征谷光谱图；(b)为卸载过程中传感器光纤F-P腔特征谷光谱图；(c)为应变过程中传感器光纤F-P腔应变响应。
图6示出了温度变化过程传感器FBG特征峰光谱及响应，其中，(a)为升温过程中传感器FBG特征峰的光谱图；(b)为降温过程中传感器FBG特征峰的光谱图；(c)为温度变化过程中传感器FBG温度响应。
图7示出了温度变化传感传感器F-P腔特征峰光谱及响应，其中，(a)为升温过程中传感器光纤F-P腔特征峰光谱图；(b)为降温过程中传感器光纤F-P腔特征峰光谱图；(c)为温度变化过程中传感器光纤F-P腔温度响应。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明提供一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模包括F-P腔结构，所述第二单模光纤包括切趾FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，构成微结构传感结构。
具体地，所述第一单模光纤采用H1060光纤。所述第二单模光纤采用SM-28单模光纤。所述F-P腔结构为由两个反射端面构成的腔长为50μm的微腔，其中，两个反射端面为相互平行的直线。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用飞秒激光加工系统对单模H1060光纤进行直写，得到光纤F-P腔结构；
参见图1，所述飞秒激光加工系统包括：钛蓝宝石飞秒激光器500、环行器200、三维移动平台520、高能聚焦物镜510、宽带光源100、高精度光谱分析仪400，所述宽带光源100和所述光谱仪400分别通过环行器200与单模HI1060光纤300连接，所述单模HI1060光纤300放置在三维移动平台520上，所述飞秒激光器500发出超窄脉宽飞秒激光经聚焦物镜510聚焦至已开窗的单模HI1060光纤300纤芯上，利用电脑530控制三维移动平台520移动和光斑闭合，同时通过高精度光谱分析仪400实现刻写过程的实时监测。
具体地，所述飞秒激光器500的加工速度为80μm/s，刻线长度25μm，刻写的F-P腔长为50μm。其中，所述F-P腔为由两个反射端面构成的微腔，所述两个反射端面为相互平行的直线。
两个反射端面为相互平行的直线。
步骤二：利用准分子激光加工单模光纤，得到切趾FBG；
步骤三：利用光纤熔接机将上述光纤F-P腔结构与切趾FBG级联，得到微结构传感器。
具体地，利用准分子激光加工在SM-28单模光纤单模光纤上加工切趾FBG，与飞秒激光加工的F-P腔级联并观测其反射谱如图2所示。由图2可知：该级联光纤传感器1520-1610nm波长范围内，FBG反射谱波峰位于1550.2470nm，最高对比度为-33.3dB；光纤F-P腔反射谱清晰明显，为保证后续解调精度，选择波长位置为1594.4065nm的特征波谷，此处对比度为-10.7dB。
以下对本发明的微结构传感器的传感特性进行研究分析。
级联微结构传感器的光谱稳定性
为测量该级联微结构传感器的光谱稳定性，在恒温恒湿超净环境中对级联结构光谱进行监测。光谱仪分辨率0.05nm，采样点数10001个，监测时长2小时，记录时间步长为10分钟。各特征峰的光谱稳定性如图3所示；
结合图3及实验数据可知：该级联微结构传感器光谱稳定性较好，监测时长内波长与频率均无明显漂移，其中FBG波长最大漂移量为0.009nn，功率最大漂移量为0.015dB，F-P腔波长最大漂移量为0.018nn，功率最大漂移量为0.072dB，满足误差评价准则，具有较好的可信程度。
级联微结构传感器的应变特性
以厚度2mm的航铝7075-0等强度梁为测试基体，将本发明微结构传感器的光纤F-P腔与FBG对称粘贴于等强度梁中心线两侧。粘贴前对光纤F-P腔与FBG进行一定预紧，用低温胶将其固定，并于室温下固化24小时。为保证实验环境的洁净度与温湿度，本发明实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。
实验中，等强度梁微分头每转一圈，等强度梁在水平方向上的形变为20με。为避免固化过程中光纤回缩导致应变测量值不准，采用相对应变值，即先旋转微分头至光谱图中微结构传感器反射谱线开始移动记为初始值，拧动微分头施加应变并由光谱仪实时记录数据。加载及卸载过程中应变范围均为0～450με，步长为20με。FBG与光纤F-P腔的特征光谱及应变曲线如图4、图5所示。
由图4、图5可知：该光纤传感器的两个特征波谷随应变变化均有漂移，且变化趋势相同。当应变由0με增至450με再减回0με时，FBG特征峰先右移再左移，波长变化0.5304nm，应变灵敏度约1.17pm/με，线性度高于0.99；光纤F-P腔特征谷波长变化0.4911nm，应变灵敏度约1.10pm/με，线性度高于0.90。具体参数列入表1中。
表1微结构传感器应变特性参数
级联微结构传感器的温度特性
将光纤F-P腔级联FBG光纤传感器固定精密温控台上，温度变化范围为50℃～200℃，步长25℃，待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据，检测传感器的波长偏移量。FBG与光纤F-P腔的特征光谱及应变曲线如图6、图7所示。
由图6、图7可知：该光纤传感器的两个特征波谷随温度变化均有漂移，且变化趋势相同。当温度由50℃升至200℃再降回50℃时，FBG特征峰先右移再左移，波长变化约1.418nm，应变灵敏度约10.09pm/℃，线性度高于0.95；光纤F-P腔特征谷波长变化约1.578nm，应变灵敏度约10.53pm/℃，线性度高于0.98。具体参数列入表2中。
表2微结构传感器温度特性参数
结合实验数据，对表1、表2中相关参数取平均值作为相应的灵敏度系数并代入，可得到该光纤微结构传感的温度应变传感矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该光纤传感器的波长变化值，代入温度应变传感矩阵，即可实时解算环境应变与温度，实现应变/温度双参数动态测量。
综上可得：(1)该微结构传感器光谱稳定性良好，监测时长2h内FBG波长最大漂移量为0.009nn，功率最大漂移量为0.015dB，F-P腔波长最大漂移量为0.018nn，功率最大漂移量为0.072dB。(2)当应变由0με增至450με再减回0με时，该微传感器FBG特征峰先右移再左移，波长变化0.5304nm，应变灵敏度约1.17pm/με，线性度高于0.99；光纤F-P腔特征谷波长变化0.4911nm，应变灵敏度约1.10pm/με，线性度高于0.90。(3)当温度由50℃升至200℃再降回50℃时，FBG特征峰先右移再左移，波长变化约1.418nm，应变灵敏度约10.09pm/℃，线性度高于0.95；光纤F-P腔特征谷波长变化约1.578nm，应变灵敏约10.53pm/℃，线性度高于0.98。
本发明提出微结构传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段，利用不同光纤微结构对入射光的滤波特性，在不同波长位置构建特征波峰或波谷，通过各波峰或波谷对环境因素变化的灵敏度差异，实现环境参数的测量与解调，本发明的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过飞秒激光直写加工光纤F-P腔，并与准分子激光在SM-28单模光纤上加工的切趾FBG级联，利用两种光学结构不同滤波及敏感特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。同时，本发明提出微结构传感器也可通过对多环境因素的独立性测试，为多因素的耦合测量与解耦提供参考价值。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模包括F-P腔结构，所述第二单模光纤包括切趾FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，构成传感结构。
2.根据权利要求1所述的微结构传感器，其特征在于，所述第一单模光纤采用H1060光纤；所述第二单模光纤采用SM-28单模光纤。
3.根据权利要求1所述的微结构传感器，其特征在于，所述F-P腔结构为由两个反射端面构成的腔长为50μm的微腔。
4.根据权利要求1所述的基于飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG的微结构传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采用飞秒激光加工系统对第一单模光纤进行直写，得到光纤F-P腔结构；
步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到切趾FBG；
步骤三：利用光纤熔接机将上述光纤F-P腔结构与切趾FBG级联，得到微结构传感器。
5.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述飞秒激光器发出超窄脉宽飞秒激光经聚焦物镜聚焦至已开窗的第一单模光纤纤芯上，GUI控制平台移动和光斑闭合，通过高精度光谱分析仪实现刻写过程的实时监测。
6.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述飞秒激光器的加工速度为80μm/s，刻线长度25μm，刻写的F-P腔长为50μm，其中，所述F-P腔为由两个反射端面构成的微腔，两个反射端面为相互平行的直线。
7.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，在步骤三中，所述微结构传感器的实现双参数传感的原理为：
当应变ε单独变化时，FBG波长偏移量为：
其中，λFBG是FBG干涉条纹波长，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数；
当温度T单独变化时，FBG波长偏移量为：
其中，αT1是FBG所用光纤的热膨胀系数，ζT1是FBG所用光纤的热光系数；
利用飞秒激光在光纤中加工出两个锥形槽作为F-P腔的反射端面，经过端面反射的光会在纤芯中发生耦合；由于两束反射光的相位差异产生不同的干涉光强，对应反射光谱的不同峰值，形成干涉光谱；当两锥形反射槽之间的相位差满足π的奇数倍时，干涉强度取最小值：
其中，I1和I2表示两个锥形槽的反射光强，L是F-P腔长，n为光纤纤芯的有效折射率，为两束发射光的初始相位差，k为整数，λF-P为光纤F-P干涉光谱中波谷的对应波长；
当F-P腔内光程发生变化时，对波长λk求导可得：
式中，Δ(nL)表示F-P腔内光程变化，Δλk为干涉光谱中波谷的波长漂移；
当应变ε单独变化时，应变效应与光弹效应也会导致光纤F-P腔光程差发生变化：
Δ(nL)＝nL(ξ+ρ)Δε (5)
其中，ξ与ρ分别为光纤材料的应变系数和光弹系数；
比较式和式可知，光纤F-P腔与FBG对于应变的灵敏度趋势相同，但线性系数不同，组成级联结构后两者对应变的波长漂移不会存在串扰；
同理，当温度T单独变化时，热光效应与热膨胀效应导致光纤F-P腔光程差发生变化，即：
Δ(nL)＝nL(αT2+ζT2)ΔT (7)
由和可得：
式中，αT2是F-P腔所用光纤的热膨胀系数，ζT2是F-P腔所用光纤的热光系数；
比较式与式可知，光纤F-P腔与FBG对于温度的灵敏度趋势相同，均呈线性关系，具体数值区别主要体现在光纤材料上；要使得级联传感器的两处光学结构温度灵敏度不同，必须使用热膨胀系数与热光系数不同的光纤进行加工；
设外界应变ε和温度T发生变化时，FBG和光纤F-P腔的反射谱波长变化ΔλFBG、ΔλF-P与应变变化Δε、温度变化ΔT的相关关系可表述如下：
其中：Kε1、KT1分别为FBG的应变灵敏系数、温度灵敏系数；Kε.2、KT.2分别为光纤F-P腔的应变灵敏系数、温度灵敏系数；
由可得，FBG和光纤F-P腔的应变、温度、波长漂移存在如下关系：
求逆可得：
由可知，若测得该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入对外界环境温度与应变进行监测，实现温度与应变的双参数测量。
8.根据权利要求4所述的微结构传感器的制备方法，其特征在于，所述第一单模光纤采用H1060光纤，所述第二单模光纤采用SM-28单模光纤。
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