CN108225416A - 一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法 - Google Patents

一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法 Download PDF

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李达
张雯
何巍
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Abstract

本发明提供一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法包括：a)搭建加工平台，加工平台包括800nm飞秒激光器、高精度三维运动平台、聚焦物镜和高反镜；b)在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI‑1060光纤固定在光纤夹具上；飞秒激光依次穿过半波片、偏振片、衰减片和窗口，经高反镜反射后由45倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI‑1060光纤，对HI‑1060光纤划线刻写，得到光栅周期为400um的长周期光纤光栅；c)重复步骤c)制作腔长为20um的光纤F‑P传感器；d)将步骤b)中制作得到长周期光纤光栅与步骤c)中制作得到光纤F‑P传感器通过级联的方式组成多参数传感器。本发明制作的多参数传感器实现同时测量温度、应变和折射率，并保证了测量的精度。

Description

一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种用于多参数测量的多参数传感的制作方法。
背景技术
近年来，在光通信以及光纤传感领域长周期光纤光栅(LPFG)受到广泛关注。传统的光纤传感器多基于光强的测量，导致稳定性不高，而LPFG采用波长编码方式，不受光强的影响，稳定性能大大提高。此外，LPFG与布拉格光纤光栅相比周期较长，可达几十甚至几百微米，在传输过程中可以将纤芯基模中的能量耦合到各包层模中，因此LPFG对外界环境如温度、应变、折射率等具有更高的灵敏度。而现有技术中，为解决交叉传感问题，大部分都是将LPFG与其他光栅结构组合形成传感器，这些方法将传感结构复杂化的同时增大了传感器的体积。
因此，为了解决上述问题，需要一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法，所述方法包括：
a)搭建加工平台，所述加工平台包括800nm飞秒激光器、高精度三维运动平台、聚焦物镜和高反镜；
b)在所述高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI-1060光纤固定在所述光纤夹具上；
在所述光纤夹具正上方布置所述高反镜，在所述高反镜前端依次布置所述800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由45倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI-1060光纤，对所述HI-1060光纤划线刻写，得到光栅腔长为400um的长周期光纤光栅；
c)重复步骤c)制作周期为20um的光纤F-P传感器；
d)将步骤b)中制作得到长周期光纤光栅与步骤c)中制作得到光纤F-P传感器之间熔接隔离器，通过级联的方式组成多参数传感器。
优选地，在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI-1060光纤的加工形貌。
优选地，所述HI-1060光纤介于测试宽带光源与测试光谱分析仪之间，所述HI-1060光纤一端连接所述测试宽带光源，另一端连接所述测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的透射光谱。
优选地，，所述测试宽带光源发射的测试激光的波长范围为1530nm～1610nm。
优选地，所述测试光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。
优选地，在所述HI-1060光纤刻写过程中，控制所述高精度三维运动平台的移动和所述窗口的闭合/开启，制作所述长周期光纤光栅。
优选地，所述HI-1060光纤的纤芯直径为6.2um，包层直径为125um。
优选地，所述显微物镜的放大倍数为45倍，数值孔径为0.75。
优选地，在所述光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备。
优选地，所述800nm飞秒激光器发射的飞秒激光加工速度为10um/s，功率为50uw。
本发明提供的一种用于温度和应变测量的长周期光纤光栅的制作方法能够有效简化传感器的结构，降低传感器的体积，制作的长周期光纤光栅能够实现对温度、应变和折射率三参数的高精度测量。
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示意性示出了本发明制作长周期光纤光栅的示意图；
图2示出了本发明制作的长周期光纤光栅的透射光谱；
图3示出了本发明制作的光纤F-P传感器的反射光谱；
图4示出了本发明使用制作的多参数传感器同时测量温度和应变的示意图。
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，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。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，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，如图1所示本发明制作长周期光纤光栅的示意图，根据本发明的实施例，一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法包括：
步骤S1、搭建加工平台，所述加工平台包括800nm飞秒激光器105、高精度三维运动平台101、聚焦物镜103和高反镜104。
步骤S2、制作长周期光纤光栅
在高精度三维运动平台101上固定光纤夹具(图中未示出)，将去除涂层的HI-1060光纤102固定在光纤夹具上。
在光纤夹具正上方布置高反镜104，在高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器105、半波片106、偏振片107、衰减片108和用于激光穿过的窗口109，800nm飞秒激光器105以划线的方式发射飞秒激光，飞秒激光依次穿过半波片106、偏振片107、衰减片108和窗口109，经高反镜104反射后由45倍的显微物镜103聚焦至光纤夹具上的HI-1060光纤102，对HI-1060光纤102划线刻写。在HI-1060光纤刻写过程中，控制高精度三维运动平台101的移动和窗口109的闭合/开启，制作长周期光纤光栅，得到光栅周期为400um，逐点划线间距为20um，单周期内刻写长度为100um，占空比为0.5的长周期光纤光栅。优选地，实施例中使用的HI-1060光纤102的纤芯直径为6.2um，包层直径为125um。
步骤S3、重复步骤S2制作腔长为20um的光纤F-P传感器。
在高精度三维运动平台101上固定光纤夹具(图中未示出)，将去除涂层的HI-1060光纤102固定在光纤夹具上。
在光纤夹具正上方布置高反镜104，在高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器105、半波片106、偏振片107、衰减片108和用于激光穿过的窗口109，800nm飞秒激光器105以划线的方式发射飞秒激光，飞秒激光依次穿过半波片106、偏振片107、衰减片108和窗口109，经高反镜104反射后由45倍的显微物镜103聚焦至光纤夹具上的HI-1060光纤102，对HI-1060光纤102划线刻写。在HI-1060光纤刻写过程中，控制高精度三维运动平台101的移动和窗口109的闭合/开启，制作长周期光纤光栅，得到腔长为20um的光纤F-P传感器。
步骤S4、将步骤S2中制作得到长周期光纤光栅与步骤S3中制作得到光纤F-P传感器之间熔接隔离器，通过级联的方式组成多参数传感器。
在上述步骤S2和步骤S4中，在高反镜104正上方布置电荷耦合器件110，电荷耦合器110观测激光的聚焦位置和激光对夹具上HI-1060光纤102的加工形貌。在光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备，以保证电荷耦合器件准确观测到飞秒激光光斑在HI-1060光纤102中的聚焦位置和光纤的加工形貌。
根据本发明的实施例，优选地800nm飞秒激光器105选用激光器中心波长800nm、脉冲宽度35fs、重复频率1kHz的钛蓝宝石飞秒激光器。800nm飞秒激光器105发射的飞秒激光加工速度为10um/s，功率为50uw。
根据本发明的实施例，HI-1060光纤102介于测试宽带光源111与测试光谱分析仪112之间，HI-1060光纤102一端连接测试宽带光源111，另一端连接测试光谱分析仪112，测试光谱分析仪实时观测测试宽带光源发射的测试激光的透射光谱。
应当理解，上述制作长周期光纤光栅和光纤F-P传感器的制作过程中，测试宽带光源111发射测试激光，测试光谱分析仪112实时观测测试激光的透射光谱(反射光谱)，同时控制高精度三维运动平台101的移动和窗口109的闭合/开启，制作长周期光纤光栅和不同腔长的光纤F-P传感器。根据本发明的实施例，测试宽带光源111发射的测试激光的波长范围为1530nm～1610nm。测试光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。显微物镜的放大倍数为45倍，数值孔径为0.75。
如图2所示本发明制作的长周期光纤光栅的透射光谱，如图3所示本发明制作的光纤F-P传感器的反射光谱，实施例中级联的长周期光纤光栅和光纤F-P传感器，从图中可以看出长周期光纤光栅的透射波谱在波长为1520nm～1610nm范围内谐振波长为1593.7nm时，谐振强度为8dB。光纤F-P传感器的反射光谱在波长1520nm～1610nm范围内有两个干涉波谷，对应的波长分别为1554.2nm和1587.8nm，对比度大于13dB。
下面对使用本发明方法制作的多参数传感器的温度、应变和折射率同时测量进行理论分析。
LPFG将前向传输的纤芯基模耦合到同向传输的各阶次包层模中，由耦合模理论可知LPFG的相位匹配条件是：
式中，λm为谐振波长，Λ为LPFG的周期，和分别为纤芯基模和一阶m次包层模的有效折射率。上式分别温度T、应力ε和折射率n求导，可得中心波长的温度、应变和折射率灵敏度：
式中，ξco、ξcl分别为纤芯和包层的热光系数，α为热膨胀系数；ρco、ρcl分别为纤芯和包层的弹光系数，k为光纤的应力系数。
当外界环境温度变化时，由于热光效应和热膨胀效应，光纤F-P干涉仪的光程差会发生变化，即：
Δ(nL)＝nL(ξ+α)·ΔT
其中，ξ和α分别为光纤的热光系数和热膨胀系数。
波谷波长漂移量与温度变化量的关系：
Δλm＝(ξ+α)·ΔT·λm
当光纤F-P传感器所受外界应变改变时，由于应变效应和光弹效应，光纤F-P传感器的腔长和折射率会发生改变，导致光程发生改变：
Δ(nL)＝nL(k+ρ)·Δε
式中，k和ρ分别是光纤材料的应变系数和光弹系数。
因此波长漂移量与应变变化量的关系：
Δλm＝(k+ρ)·Δε·λm
因此长周期光纤光栅谐振波长漂移量和光纤F-P传感器特征波长漂移量可表示为：
其中，Δλ1、Δλ2、Δλ3分别为光纤F-P传感器两个波谷的特征波长和长周期光纤光栅谐振波长的漂移量。因袭可得到温度、应变和折射率的变化量：
因此通过观察长周期光纤光栅谐振波长与光纤F-P传感器两个波谷对应特征波长的变化量，结合温度、应变、折射率响应灵敏度和敏感系数矩阵，实现对温度、应变和折射率三参数的同时测量。
实施例中使用本发明所述提供的的方法制作的多参数传感器进行温度、应变和折射率同时测量，如图4所示本发明使用制作的多参数传感器同时测量温度和应变的示意图，测量过程按照如下方法进行：
搭建测试系统，测试系统包括宽带光源402、环形器404、多参数传感器201、加热平台401、移动拉伸平台和光谱分析仪403。
将多参数传感器201固定在加热平台401上，移动拉伸平台固定长周期光纤光栅传感器201的两端，固定好的多参数传感器201置于被测的酒精溶液中。改变加热平台的温度，左右移动所述移动拉伸平台，同时改变酒精溶液的折射率(例如改变酒精溶液的浓度)。测量过程中，加热平台的温度变化范围为30℃-150℃，温度采样间隔为30℃，精确温度值为0.1℃。
光谱分析仪403实时观测并记录多参数传感器的201的透射光谱和反射光谱，通过观察长周期光纤光栅谐振波长与光纤F-P传感器两个波谷对应特征波长的变化量，结合温度、应变、折射率响应灵敏度和敏感系数矩阵，实现对温度、应变和折射率三参数的同时测量。
本发明利用中心波长为800nm的飞秒激光分别在HI1060光纤中制作了周期为400um的长周期光纤光栅和腔长为20um的光纤F-P光感器，将长周期光纤光栅和光纤F-P传感器之间熔接隔离器，通过级联的方式组成多参数传感器，能够实现对传感器的温度、应变和折射率进行高精度测量。
本发明提供的一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法能够有效简化传感器的结构，降低传感器的体积，制作的多参数传感器能够实现对温度、应变和折射率三参数的高精度测量。
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 (10)

1.一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
a)搭建加工平台，所述加工平台包括800nm飞秒激光器、高精度三维运动平台、聚焦物镜和高反镜；
b)在所述高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI-1060光纤固定在所述光纤夹具上；
在所述光纤夹具正上方布置所述高反镜，在所述高反镜前端依次布置所述800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由45倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI-1060光纤，对所述HI-1060光纤划线刻写，得到光栅周期为400um的长周期光纤光栅；
c)重复步骤c)制作腔长为20um的光纤F-P传感器；
d)将步骤b)中制作得到长周期光纤光栅与步骤c)中制作得到光纤F-P传感器之间熔接隔离器，通过级联的方式组成多参数传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI-1060光纤的加工形貌。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HI-1060光纤介于测试宽带光源与测试光谱分析仪之间，所述HI-1060光纤一端连接所述测试宽带光源，另一端连接所述测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的透射光谱。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测试宽带光源发射的测试激光的波长范围为1530nm～1610nm。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测试光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述HI-1060光纤刻写过程中，控制所述高精度三维运动平台的移动和所述窗口的闭合/开启，制作所述长周期光纤光栅。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HI-1060光纤的纤芯直径为6.2um，包层直径为125um。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述显微物镜的放大倍数为45倍，数值孔径为0.75。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述800nm飞秒激光器发射的飞秒激光加工速度为10um/s，功率为50uw。
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