CN109798977A - 基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，包括以下步骤：在细芯光纤上采用飞秒激光直写的方法刻写光纤布拉格光栅FBG；利用刻有FBG的细芯光纤与多模光纤熔接，多模光纤末端再熔接单模光纤构成的马赫曾德结构对FBG进行调制；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；通过光谱仪检测细芯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，带入步骤3的变化矩阵中，得出环境温度和应变的改变情况。本发明利用马赫曾德透射光谱被光纤布拉格光栅调制的特性，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。

Description

基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法

技术领域

本发明涉及一种对温度与应变进行测量的方法，尤其涉及一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法。

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，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。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)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，光纤布拉格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光纤布拉格光栅，在此基础上，国内外对光纤布拉格光栅的制作方法进行了全面的研究，但是在1800-1900nm光谱范围内制备FBG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。

相比于以上介绍的光纤布拉格光栅的传统制备方法，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光纤布拉格光栅已经取得了一定的研究成果。

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，针对飞秒激光直写技术制备FBG进行研究。

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(Single mode fiber,SMF)纤芯内刻出周期为460μm，长度约3mm的光纤布拉格光栅，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波段飞秒激光器采用逐点刻写法在普通单模光纤(SMF-28e)上刻写得到光纤布拉格光栅，其在1380nm 附近谐振峰深度达到近-30dB。2006年,该团队又使用800nm飞秒激光器刻写得到光纤布拉格光栅，谐振峰深度约为-14dB。2005年，Kalachev 等人使用264nm飞秒激光器在载氢后的普通单模光纤中刻写得到谐振峰深度为-25dB的光纤布拉格光栅，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FBG，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的光纤布拉格光栅，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光纤布拉格光栅的方法，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。

因此，需要一种基于飞秒激光直写技术制备光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法，利用马赫曾德透射光谱被光纤布拉格光栅调制的特性，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，包括以下步骤：

步骤1)在细芯光纤上采用飞秒激光直写的方法刻写光纤布拉格光栅 FBG；

步骤2)利用刻有FBG的细芯光纤与多模光纤熔接，多模光纤末端再熔接单模光纤构成的马赫曾德结构对FBG进行调制；

步骤3)得到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，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，从而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；

步骤4)通过光谱仪检测细芯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，带入步骤3的变化矩阵中，得出环境温度和应变的改变情况。

所述步骤1)中，细芯光纤上的FBG的透射波长在1.5μm波段，通过FBG直写系统制得，FBG直写系统包括飞秒激光器、高精度加工平台、光谱仪、宽带光源，所述马赫曾德结构的输出端与光谱仪连接，马赫曾德结构的输入端与宽带光源连接；所述宽带光源波段为1500～1620nm。

优选地，所述步骤1)中，所述细芯单模光纤为5/125μm的细芯单模光纤；所述多模光纤为100/125μm的多模光纤；所述单模光纤为 9/125μm的SMF-28单模光纤。

所述步骤2)中，刻有FBG的细芯光纤与多模光纤熔接，多模光纤末端再熔接单模光纤构成的马赫曾德结构，基于细芯光纤马赫-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)

由公式7可知，该细芯光纤马赫曾德干涉仪的梳状谱中，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。

所述步骤3)中，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：

通过光谱仪检测细芯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)得出环境温度和应变的改变情况。

本发明的有益效果是：本发明利用马赫曾德透射光谱被光纤布拉格光栅调制的特性，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。

附图说明

图1为FBG直写系统原理图；

图2为本发明马赫曾德结构对FBG进行调制的原理图；

图3为FBG的透射光谱图；

图4为马赫曾德光谱曲线与长周期光纤光栅光谱叠加产生的干涉图；

图5为FBG波长随温度的变化曲线图；

图6为FBG强度随温度的变化曲线图；

图7为对FBG施加应力时，FBG波长和强度随应变的变化曲线图；

图8为对MZI施加应力时，FBG波长和强度随应变的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，包括以下步骤：

步骤1)在细芯光纤上采用飞秒激光直写的方法刻写光纤布拉格光栅 FBG；

步骤2)利用刻有FBG的细芯光纤与多模光纤熔接，多模光纤末端再熔接单模光纤构成的马赫曾德结构对FBG进行调制；

步骤3)得到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，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，从而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；

步骤4)通过光谱仪检测细芯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，带入步骤3的变化矩阵中，得出环境温度和应变的改变情况。

如图1所示，所述步骤1)中，细芯光纤上的FBG的透射波长在1.5 μm波段，通过FBG直写系统制得，FBG直写系统包括飞秒激光器2、高精度加工平台3、光谱仪4、宽带光源1，所述马赫曾德结构的输出端与光谱仪4连接，马赫曾德结构的输入端与宽带光源1连接；所述宽带光源 1波段为1500～1620nm，宽带光源1通过波分复用器(WDM)103连接 793nm光纤激光101和掺铥光纤(TDF)102产生。

所述步骤1)中，所述细芯单模光纤为5/125μm的细芯单模光纤；所述多模光纤为100/125μm的多模光纤；所述单模光纤为9/125μm的 SMF-28单模光纤。

如图2-4所示，基于细芯光纤马赫-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)

由公式7可知，该细芯光纤马赫曾德干涉仪的梳状谱中，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光纤布拉格光栅调制的特性，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。

下面通过实验对本发明提供的方法进行进一步验证。

所述步骤3)中，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：

通过光谱仪检测细芯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)得出环境温度和应变的改变情况。

为了更加清楚的说明本发明基于细芯光纤马赫曾德干涉仪的温度与应变测量方法，结合以下实验进行说明：

1、温度实验：

马赫曾德MZI和光纤布拉格光栅FBG处于同一温度环境下，实验中把FBG和MZI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。当温度升高，分别选取MZI干涉谱中某一点和FBG的波谷作为测试对象，绘制其温度变化曲线，如图5所示。随着温度升高FBG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 FBG进行了温度曾敏，因此其温度的灵敏度系数要高于常规FBG，而FBG 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6所示，强度变化对温度的灵敏度系数可以求出。

2、应变实验：

先对FBG施加应力。由于MZI对周围环境比较敏感，因此应变实验中需要将光纤固定在光学平台上，用玻璃壳罩住。将悬臂梁一端固定在光学平台上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制FBG的伸长量。随着应力的增加，FBG的谐振峰向短波方向移动，FBG强度和波长随应变的变化曲线如图7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FBG的长度远远小于MZI长度， FBG自身对应变的灵敏度小于MZI对应变的灵敏度。而强度变化对应变的灵敏度也可求。

再对MZI施加应力。同上，随着应力增加，FBG处波长向长波方向移动，FBG强度和波长随应力的变化曲线如图8所示，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FBG的温度与应变传感矩阵，以及 MZI的温度与应变传感矩阵，由这两个矩阵可以判断出是FBG还是MZI 受到的应变。

利用MZI透射光谱被光纤布拉格光栅调制的特性，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FBG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。

本发明提供一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，利用马赫曾德透射光谱被光纤布拉格光栅调制的特性，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。

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，都属于本发明的范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)在细芯光纤上采用飞秒激光直写的方法刻写光纤布拉格光栅FBG；

步骤2)利用刻有FBG的细芯光纤与多模光纤熔接，多模光纤末端再熔接单模光纤构成的马赫曾德结构对FBG进行调制；

步骤3)得到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，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，从而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；

步骤4)通过光谱仪检测细芯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，带入步骤3的变化矩阵中，得出环境温度和应变的改变情况。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，细芯光纤上的FBG的透射波长在1.5μm波段，通过FBG直写系统制得，FBG直写系统包括飞秒激光器、高精度加工平台、光谱仪、宽带光源，所述马赫曾德结构的输出端与光谱仪连接，马赫曾德结构的输入端与宽带光源连接；所述宽带光源波段为1500～1620nm。

3.如权利要求1所述的一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述细芯单模光纤为5/125 μm的细芯单模光纤；所述多模光纤为100/125μm的多模光纤；所述单模光纤为9/125μm的SMF-28单模光纤。

4.如权利要求1所述的一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，刻有FBG的细芯光纤与多模光纤熔接，多模光纤末端再熔接单模光纤构成的马赫曾德结构，基于细芯光纤马赫-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)

由公式7可知，该细芯光纤马赫曾德干涉仪的梳状谱中，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。

5.如权利要求1所述的一种基于光纤布拉格光栅和细芯光纤的温度与应变测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，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：

通过光谱仪检测细芯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)得出环境温度和应变的改变情况。