CN110530549B - 一种温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：（1）光纤纤芯的制备：将玻璃组分体系熔融制备玻璃块体；（2）将步骤（1）中的玻璃块体车削加工，然后与包层套管结合拉制具有芯层‑包层结构的玻璃光纤；（3）在所述玻璃光纤中刻写光纤布拉格光栅结构，获得所述温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器。本发明提出的方法可降低光纤布拉格光栅传感器温度灵敏度，有利于在非温度传感过程中降低温度变化造成的误差，适合用于传感器工作环境温度变化幅度较大的非温度传感场合。
Description
技术领域
本发明属于光纤的技术领域，具体涉及一种温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器及其制备方法。
背景技术
光纤传感器是以光纤作为载体，将外界物理信号变化转变为光信号变化实现传感目的一类新型传感器。相比于传统的电子传感器，光纤传感器具有微型化、抗电磁干扰、灵敏度高、形状结构可变和制备成本低等众多优点，如今在工业生产、管道运输、生物医药、军事、航天航空等各个领域都具有实际的应用并具有很好的潜力。光纤传感器自面世以来，如何降低由于外界温度波动造成的传感误差一直是有待解决的难点和研究热点，然而现有的温度漂移补偿方法有着结构复杂、成本高昂等缺点，限制了其应用和推广。一种工艺简单、普适性强的低温度灵敏度光纤传感器设计和制备方法仍有待提出。
发明内容
为了克服现有技术上述缺点与不足，本发明的旨在提供一种温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器及其制备方法，直接从光纤纤芯的材料组成方面解决问题，可大幅降低光纤布拉格光栅传感器的温度灵敏度，减小传感器工作环境温度波动造成的传感误差，且无需复杂的特殊结构制备或后期算。
本发明的目的在于至少通过如下技术方案之一实现。
一种温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)光纤纤芯的制备：将玻璃组分体系熔融制备玻璃块体；
(2)将步骤(1)中的玻璃块体车削加工，然后与包层套管结合拉制具有芯层-包层结构的玻璃光纤；
(3)在所述玻璃光纤中刻写光纤布拉格光栅结构，获得所述温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器。
进一步的，所述步骤(1)中，玻璃组分体系的膨胀系数和热光系数之和小于9.15×10-6/K。
进一步的，所述步骤(1)中，当选取SiO2-CaO-Na2O玻璃体系时，具体组分的化学百分比为SiO2：CaO：Na2O＝30-70：5-35：5-35。
进一步的，所述步骤(1)中，当选取SiO2-ZnO-BaO-Nb2O5玻璃体系，其具体组分为40-60：15-30：10-20:5-15。
进一步的，所述步骤(1)中，当选取SiO2-ZnO-Li2O玻璃体系，其具体组分为SiO2：ZnO：Li2O：Na2O：MgO：P2O5＝40-60：10-25：10-30：2-8：2-5：2-5。
进一步的，所述步骤(1)中，当选取Mg(PO3)2-BaF2-CaF2玻璃体系，其具体组分为Mg(PO3)2：BaF2：CaF2：ErF3＝35-65：15-30：15-30：0-3。
进一步的，所述包层套管为石英玻璃套管。
进一步的，所述步骤(3)中，采用激光加工在所述玻璃光纤中刻写光纤布拉格光栅结构。
由上述制备方法制得的所述温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器。
本发明中温度不灵敏型光纤布拉格光栅的设计思路是基于光纤纤芯玻璃材料的化学组成设计和调控实现。根据布拉格条件：
λB＝2Λn
式中，λB为光纤布拉格光栅对应的布拉格波长，Λ为刻写的光纤光栅周期，n为光纤纤芯对应的有效折射率。
由布拉格条件推导布拉格光栅的温度灵敏度与光纤纤芯的热膨胀系数和热光系数关系式：
式中，T为温度；α和ζ分别为光纤纤芯材料的热膨胀系数和热光系数，定义为
和
L为光纤纤芯材料的长度。
由上式可知光纤布拉格光栅的温度灵敏度取决于纤芯玻璃材料的热膨胀系数和热光系数二者之和。通过合理设计和调控玻璃的化学组成，可制备特定热膨胀系数和热光系数的块体材料，以负的热光系数补偿正的热膨胀系数，使得二者之和数值降低，可大幅降低光纤纤芯的热膨胀系数和热光系数之和，进而可制备出温度不灵敏的光纤布拉格光栅传感器。
本发明提出的方法可降低光纤布拉格光栅传感器温度灵敏度，有利于在非温度传感过程中降低温度变化造成的误差，适合用于传感器工作环境温度变化幅度较大的非温度传感场合。当温度由30℃变化到90时，布拉格峰位漂移量不大于0.54nm。相较于现有的温度不灵敏型光纤布拉格光栅设计和制备方法，本方法具有制备工艺简单、成本低，不损伤光纤原有的机械性能的优点，更易于实现大规模的推广和使用。
附图说明
图1为实施例1制备的多组分玻璃光纤横截面光学显微镜图；
图2为实施例1制备的多组分玻璃光纤布拉格光栅的光学显微镜图；
图3为实施例1制备的多组分玻璃光纤布拉格光栅的温度响应曲线图；
图4为实施例2制备的多组分玻璃光纤布拉格光栅的温度响应曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步地详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
第一步：选取SiO2-CaO-Na2O玻璃体系，其具体组分为SiO2：CaO：Na2O＝45：25：30，以SiO2、CaCO3、Na2CO3为原料按组分称量研磨均匀后高温1500℃熔融，淬冷制备玻璃块体。
第二步：将所制备的玻璃在车削加工，与石英玻璃套管结合置于拉丝塔内，升温拉制光纤，所制备光纤外径为150μm，芯径为14μm。
第三步：使用激光加工系统在玻璃光纤的纤芯中刻写一个周期为1.06μm，长度为5mm的光纤布拉格结构，制得具有低温度灵敏度的多组分玻璃光纤布拉格光栅传感器。所用激光参数为脉冲宽度140fs，重复频率1kHz，功率200μW，聚焦透镜采用100×1.25NA。
图1为实施例1制备的多组分玻璃光纤横截面光学显微镜图；由图可以看出，所制备的玻璃光纤具有明显的芯层-包层结构，光纤芯层和包层间的边界清晰。
图2为实施例1制备的多组分玻璃光纤布拉格光栅的光学显微镜图；从图中清晰可见均匀分布的折射率调制结构，折射率调制幅度适中。
图3为实施例1制备的多组分玻璃光纤布拉格光栅的温度响应曲线；由图可以看出，当温度由30℃变化到90时，布拉格峰位漂移量仅为0.54nm，漂移量低，对温度响应不敏感，达到预期效果。
实施例2
第一步：选取SiO2-CaO-Na2O玻璃体系，其具体组分为SiO2：CaO：Na2O＝65：10：25，以SiO2、CaCO3、Na2CO3为原料按组分称量研磨均匀后高温1450℃熔融，淬冷制备玻璃块体。
第二步：将所制备的玻璃在车削加工，与石英玻璃套管结合置于拉丝塔内，升温拉制光纤，所制备光纤外径为150μm，芯径为13μm。
第三步：使用激光加工系统在玻璃光纤的纤芯中刻写一个周期为1.06μm，长度为4.5mm的光纤布拉格结构，制得具有低温度灵敏度的多组分玻璃光纤布拉格光栅传感器。所用激光参数为脉冲宽度140fs，重复频率1kHz，功率200μW，聚焦透镜采用100×1.25NA。
图4为实施例2制备的多组分玻璃光纤布拉格光栅的温度响应曲线；由图可以看出，当温度由30℃变化到90℃时，布拉格峰位漂移量仅为0.47nm，漂移量低，对温度响应不敏感，达到预期效果。
实施例3
第一步：选取SiO2-ZnO-BaO-Nb2O5玻璃体系，其具体组分为SiO2:ZnO:BaO:Nb2O5＝54：18：18:10，以SiO2、ZnO、BaCO3、Nb2O5为原料按组分称量研磨均匀后高温1300℃熔融，淬冷制备玻璃块体。
第二步：将所制备的玻璃在车削加工，与石英玻璃套管结合置于拉丝塔内，升温拉制光纤，所制备光纤外径为140μm，芯径为13μm。
第三步：使用激光加工系统在玻璃光纤的纤芯中刻写一个周期为1.06μm，长度为4.5mm的光纤布拉格结构，制得具有低温度灵敏度的多组分玻璃光纤布拉格光栅传感器。所用激光参数为脉冲宽度140fs，重复频率1kHz，功率200μW，聚焦透镜采用100×1.25NA。
所制备的光纤布拉格光栅在周围环境温度变化时，布拉格峰位无肉眼可见波动，具有温度不灵敏特性。
实施例4
第一步：选取SiO2-ZnO-Li2O玻璃体系，其具体组分为SiO2：ZnO：Li2O：Na2O：MgO：P2O5＝60：17：17：4：1：2，以SiO2、ZnO、Li2CO3、Na2CO3、MgO和P2O5为原料按组分称量研磨均匀后高温1400℃熔融，淬冷制备玻璃块体。
第二步：将所制备的玻璃在车削加工，与石英玻璃套管结合置于拉丝塔内，升温拉制光纤，所制备光纤外径为135μm，芯径为12μm。
第三步：使用激光加工系统在玻璃光纤的纤芯中刻写一个周期为1.06μm，长度为5mm的光纤布拉格结构，制得具有低温度灵敏度的多组分玻璃光纤布拉格光栅传感器。所用激光参数为脉冲宽度140fs，重复频率1kHz，功率180μW，聚焦透镜采用100×1.25NA。
所制备的光纤布拉格光栅在周围环境温度变化时，布拉格峰位无肉眼可见波动，具有温度不灵敏特性。
实施例5
第一步：选取Mg(PO3)2-BaF2-CaF2玻璃体系，其具体组分为Mg(PO3)2：BaF2：CaF2：ErF3＝40：37：20：3，以SiO2、ZnO、Li2CO3、Na2CO3、MgO和P2O5为原料按组分称量研磨均匀后高温1000℃熔融，淬冷制备玻璃块体。
第二步：将所制备的玻璃在车削加工，与石英玻璃套管结合置于拉丝塔内，升温拉制光纤，所制备光纤外径约为140μm，芯径约为12.5μm。
第三步：使用激光加工系统在玻璃光纤的纤芯中刻写一个周期为1.06μm，长度为5mm的光纤布拉格结构，制得具有低温度灵敏度的多组分玻璃光纤布拉格光栅传感器。所用激光参数为脉冲宽度140fs，重复频率1kHz，功率180μW，聚焦透镜采用100×1.25NA。
所制备的光纤布拉格光栅在周围环境温度变化时，布拉格峰位无肉眼可见波动，具有温度不灵敏特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但是本发明的实施方式不受上述实例限制，其他的任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均为等效。
Claims (5)
1.一种温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）光纤纤芯的制备：将玻璃组分体系熔融制备玻璃块体；当选取SiO2-CaO-Na2O玻璃体系时，具体组分的化学百分比为SiO2：CaO：Na2O=30-70：5-35：5-35；当选取SiO2-ZnO-BaO-Nb2O5玻璃体系，其具体组分化学百分比为SiO2:ZnO:BaO:Nb2O5=40-60：15-30：10-20:5-15；当选取SiO2-ZnO-Li2O玻璃体系，其具体组分化学百分比为SiO2：ZnO：Li2O：Na2O：MgO：P2O5=40-60：10-25：10-30：2-8：2-5：2-5；当选取Mg(PO3)2-BaF2-CaF2玻璃体系，其具体组分化学百分比为Mg(PO3)2：BaF2：CaF2：ErF3=35-65：15-30：15-30：0-3；
（2）将步骤（1）中的玻璃块体车削加工，然后与包层套管结合拉制具有芯层-包层结构的玻璃光纤；
（3）在所述玻璃光纤中刻写光纤布拉格光栅结构，获得所述温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，玻璃组分体系的膨胀系数和热光系数之和小于9.15×10-6/K。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述包层套管为石英玻璃套管。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，采用激光加工在所述玻璃光纤中刻写光纤布拉格光栅结构。
5.权利要求1-4任一项所述制备方法制得的所述温度不灵敏型光纤布拉格光栅传感器。
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| GR01 | Patent grant | ||
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