CN110941044A - 一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法 - Google Patents
一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光纤传感领域，涉及一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法。本发明通过搭建光栅制作平台，采用超连续谱光源作为输入光源，利用半自动光纤加工平台进行光栅制作并进行透射谱的实时监测，分析各结构参数对透射特性的影响，制作出具有高消光比谐振峰的超长周期光纤光栅，构建特征矩阵进而得到双参量测量的传感灵敏度，最后通过仿真模拟证实本发明制作具有较高的重复性。本发明的特点是，由凸锥间隔相同毫米量级的距离形成光栅，整体最小尺寸为2mm，是目前最短的超长周期光纤光栅，可用于温度和应变的同时测量，并且该制作方法具有重复性高、成本低等优势。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法。
背景技术
光纤光栅是近几十年发展最为迅速的光纤无源器件之一。根据栅格周期的不同，可分为布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅以及超长周期光纤光栅。长周期光纤光栅(LongPeriod Fiber Grating，LPFG)周期为100μm至1000μm，由Vengsarkar等人于1996年首次提出，其纤芯基模能够与满足相位匹配条件的同向传输的包层模发生耦合，从而导致特定波长的损耗，即形成谐振峰。这使得LPFG广泛应用于光纤传感领域，如折射率传感器、温度传感器、应变传感器、压力传感器等。周期大于1mm的光纤光栅称为超长周期光纤光栅(Ultra-Long Period Fiber Grating，ULPFG)，由Xuewen Shu等人于2002年利用紫外光写入法首次研制成功，ULPFG具有普通LPFG的传统优势，如波长调谐能力强，背向反射水平低，环境敏感性高等。此外，由于ULPFG的周期是普通LPFG周期的几倍甚至十几倍，ULPFG在谱线形状和性能上还呈现出与普通LPFG不同的特性，例如ULPFG具有更多的谐振峰，不同的谐振波长对环境参数变化具有不同的敏感性，可用于多参量的同时测量。目前业界已开发出多种关于ULPFG的制备技术，如紫外激光曝光法、CO2激光写制法、飞秒激光刻印法、机械诱导法以及电弧放电法等。相比之下，非激光技术(结构调制型)制造的ULPFG具有良好的热稳定性、独特的传感性、结构的多样性、不受光纤本身限制以及更高的成本效益等优势，因而得到了人们的广泛关注。由于ULPFG的周期较长，利用现有方法制作出的ULPFG尺寸都比较大，一般在几厘米到十几厘米的量级，不便于器件的微型化和集成化。
基于以上背景，本发明以实现ULPFG微型化、低成本、高重复性的制作为目标，采用过熔放电法，提出并制作出一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅(Up-taperUltra-long Period Fiber Grating，UT-ULPFG)，并应用于温度和应变的双参量传感测量。
发明内容
本发明的目的是，实现ULPFG微型化、低成本、高重复性的制作，并应用于温度和应变的双参量测量。本发明首先搭建光栅制作平台，采用超连续谱光源作为输入光源，利用半自动光纤加工平台进行光栅制作，同时连接光谱仪进行透射谱的实时监测；然后通过改变制作参数，分析各结构参数对透射特性的影响，从而制作出具有高消光比谐振峰的UT-ULPFG；进而利用所制作的UT-ULPFG进行温度和应变的传感测量，构建特征矩阵，得到双参量测量的传感灵敏度；最后通过仿真模拟，证实本发明制作重复性高的优势。
其具体步骤如下：
步骤1：取一段标准单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)，其中一端连接超连续谱光源，另一端通过传感头连接到光谱分析仪上，用于实时监测透射光谱。
步骤2：将SMF中间大约1cm左右的部分去掉涂覆层，露出裸纤，并使裸纤部分放置在电极附近。SMF的左右两端固定在光纤夹持器上，然后向计算机中输入光纤的直径，自动计算出合适的张力，并将该张力施加于光纤上使其保持拉直状态。
步骤3：切割刀头由计算机控制调出，使其下落在距离光纤适当的位置处。调出切刀垫板使其上升到刚好使光纤贴附于之上的位置。然后点击计算机屏幕上的切割按钮后，光纤被快速切割。此时将切割刀头尽快抬起，避免残余超声振动对光纤切割端面平整度造成影响。最后将切割刀头和切刀垫板分别调整回原来的位置，完成一次切割过程。
步骤4：通过计算机设置凸锥加工程序，调整放电强度、放电时间以及光纤交叠程度，下达自动熔接按钮指令，三个电极同时放电，形成一个直径增大了的凸起，即为凸锥。
步骤5：通过计算机控制位移平台移动距离等于光栅的周期Λ，带动光纤移动同样的距离，通过重复上述切割和熔接步骤，连续制作出新的凸锥，通过光谱仪实时监测透射谱的变化，直到在出现耦合谐振峰，即为形成了一个UT-ULPFG。
步骤6：固定光栅的周期Λ，调整熔接程序中光纤的交叠程度，从而改变凸锥的锥腰直径，通过重复步骤1-5，分别制作出级联凸锥个数相同，周期相同的四种不同锥腰直径的UT-ULPFG，并分析锥腰直径变化对其透射特性的影响。
步骤7：固定光纤的交叠程度，调整位移平台移动的距离Λ，通过重复步骤1-5，分别制作出凸锥个数相同，锥腰直径相同的三种不同周期的UT-ULPFG，并分析光栅周期变化对其透射特性的影响。
步骤8：选取一个具有高消光比谐振峰的UT-ULPFG，对其进行温度传感特性的测量。实验中，将光栅放置在温控箱中，其中一端用光纤夹持器固定，另一端挂坠一个10g砝码，以避免光纤弯曲对透射谱的影响。逐渐改变温度，记录光谱的变化情况。
步骤9：对步骤8中所使用的UT-ULPFG进行应变传感特性的测量。在实验中，光纤的两端用光纤夹持器固定，并挂坠砝码保持拉直状态，通过光纤夹持器的移动控制施加不同的应变，记录光谱的变化情况。
步骤10：通过步骤8获得的不同温度下的光谱变化图和步骤9获得的不同应变下的光谱变化图，追踪谐振波长的漂移和谐振峰衰减深度的变化，计算温度灵敏度和应变灵敏度，建立特征矩阵，实现温度和应变的双参量同时测量。
步骤11：利用仿真软件模拟光栅制作中周期有微小波动情况下的透射光谱的变化情况，证实所提出的UT-ULPFG具有较高的制作重复性。
附图说明
图1是UT-ULPFG结构示意图；
图2是UT-ULPFG实验装置示意图；
图3是UT-ULPFG随凸锥个数增加的透射谱演变图；
图4是锥腰直径变化对UT-ULPFG透射特性的影响关系图，其中，图4(a)是透射谱随不同锥腰直径的变化图，图4(b)是谐振波长变化对锥腰直径的线性拟合；
图5是光栅周期变化对UT-ULPFG透射特性的影响关系图，其中，图5(a)是透射谱随不同光栅周期的变化图，图5(b)是谐振波长变化对光栅周期的线性拟合；
图6是UT-ULPFG的温度传感特性测量结果图，其中，图6(a)反映透射谱随温度升高的变化情况，图6(b)是谐振波长变化量对温度的线性拟合，图6(c)是谐振峰衰减深度变化量对温度的线性拟合；
图7是UT-ULPFG的应变传感特性测量结果图，其中，图7(a)反映透射谱随施加应变增大的变化情况，图7(b)是谐振波长变化量对应变的线性拟合，图7(c)是谐振峰衰减深度变化量对应变的线性拟合；
图8是UT-ULPFG与LPFG的制作误差分析对比图，其中，图8(a)为ULPFG的制作误差分析图，图8(b)为LPFG的制作误差分析图。
具体实施方式：
本发明提供一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅(UT-ULPFG)制作方法，其结构示意图如图1所示，原始的SMF直径d1＝125μm，通过过熔接使光纤直径增大，形成凸起，称之为凸锥，其锥腰直径为d2，与熔接时设置的交叠量大小成正比。两个凸锥之间的间距即为光栅周期Λ。其成栅机理为：当光从单模光纤纤芯输入，通过光纤的凸锥区域时，部分纤芯基模的能量会耦合进入高阶包层模，导致透射谱中出现一定的损耗。当若干个凸锥间隔一定距离沿光纤轴向级联在一起时，光纤几何结构的周期性调制使之形成光栅，纤芯基模与满足相位匹配条件的高阶包层模耦合，从而在透射谱特定波长处形成谐振损耗峰，ULPFG的相位匹配条件为：
其中，λres为谐振波长，Λ为光栅周期，N＝1、2、3......为衍射阶数，
为纤芯基模的有效折射率，
为第N阶衍射级的第m阶包层模的有效折射率。
UT-ULPFG的实验制作装置示意图如图2所示。该装置主要包括三个部分：波长范围覆盖450nm到2400nm的超连续谱光源，集光纤切割、熔接和移动功能于一体的半自动光纤处理平台和分辨率为0.02nm的光谱分析仪。整个平台的操作由计算机控制。在切割系统中，可根据光纤直径计算所需张力自动施加在光纤上，使光纤拉直，保证切割端面的平整度。切割过程和质量可以通过电极上方的摄像头进行监控，并实时显示在电脑屏幕上。此平台的切割系统是利用超声振动来快速切割光纤，而不是传统的刀片切割。这种切割方法不需要直接与光纤接触，而且切割后的光纤端面更加光滑。在熔接系统中，可在计算机中建立凸锥的加工程序，放电强度设定为标准，电弧放电持续时间为4500ms，根据所制作凸锥的锥腰直径大小，光纤交叠量的设置可在0到150之间调整。三维位移平台的移动精度为1μm，光纤夹持器固定其上，带动光纤一起移动。
在光纤切割过程中，首先，取一段标准单模光纤，其中一端连接超连续谱光源，另一端通过传感头连接到光谱分析仪上，用于实时监测透射光谱。然后，将单模光纤中间大约1cm左右的部分去掉涂覆层，露出裸纤，并使裸纤部分放置在电极附近，光纤的左右两端固定在光纤夹持器上。接着，切割刀头由计算机控制调出，使其下落在距离光纤适当的位置处。调出切刀垫板使其上升到刚好使光纤贴附于之上的位置。最后，点击计算机屏幕上的切割按钮后，光纤会被快速切割。此时将切割刀头尽快抬起，避免残余超声振动对光纤切割端面平整度造成影响。将切割刀头和切刀垫板分别调整回原来的位置，完成一次切割过程。
在光纤熔接过程中，首先，通过计算机设置凸锥加工程序，调整放电强度、放电时间以及光纤交叠程度，然后，点击屏幕上的自动熔接按钮后，三个电极同时放电，形成一个直径增大了的凸起，即为凸锥。最后，通过计算机控制位移平台移动距离等于光栅的周期Λ，带动光纤移动同样的距离，通过重复上述切割和熔接步骤，可以连续制作出新的凸锥，通过光谱仪实时监测透射谱的变化，直到在出现耦合谐振峰，即为形成了一个UT-ULPFG。对于d2＝156μm，Λ＝2mm的UT-ULPFG，其透射谱演变与凸锥个数N的关系如图3所示。当只有一个或两个凸锥形成时，在透射谱中没有出现谐振峰，平均损耗分别为2dB和5dB左右，这表明一个或两个凸锥级联引起的衰减是波长无关的，没有形成光栅。当制作三个凸锥级联后，在波长1364.03nm处出现谐振峰，峰值深度为31.3dB。
分析锥腰直径变化对其透射特性的影响。固定光栅的周期Λ＝2mm，凸锥个数N＝3，调整熔接程序中光纤的交叠程度，从而改变凸锥的锥腰直径，分别制作出d2＝153μm，d2＝156μm，d2＝159μm，d2＝162μm四种不同锥腰直径的UT-ULPFG，其透射光谱如图4(a)所示。随着锥腰直径的增加，谐振波长向短波方向漂移。图4(b)显示，谐振波长随锥腰直径变化的线性度较好。
分析光栅周期变化对其透射特性的影响。固定d2＝156μm，N＝3，分别制作出Λ＝1mm，Λ＝2mm，Λ＝3mm三种不同光栅周期的UT-ULPFG，其透射光谱如图5(a)所示。随着光栅周期的增加，谐振波长向长波方向漂移。图5(b)显示，谐振波长随光栅周期变化的线性度较好。
对Λ＝2mm，d2＝156μm的UT-ULPFG进行温度传感测试。实验中，将光栅放置在温控箱中，其中一端用光纤夹持器固定，另一端挂坠一个10g砝码，以避免光纤弯曲对透射谱的影响。温度变化范围为30℃-90℃，记录光谱的变化情况如图6(a)所示，当温度升高时，谐振波长出现红移，谐振峰衰减深度变大。分别追踪谐振峰的波长漂移和损耗深度的变化趋势如图6(b)和图6(c)所示，线性拟合得的温度灵敏度分别为66pm/℃和0.017dB/℃。
对Λ＝2mm，d2＝156μm的UT-ULPFG进行应变传感测试。实验中，光纤的两端用光纤夹持器固定，并挂坠砝码保持拉直状态，通过光纤夹持器的移动控制施加不同的应变，测试范围为0-1.56mε，记录光谱的变化情况如图7(a)所示。随着应变的增加，谐振波长出现红移，谐振峰衰减深度变小。分别追踪谐振峰的波长漂移和损耗深度的变化趋势如图7(b)和图7(c)所示，线性拟合得的应变灵敏度分别为1.146nm/mε和1.947dB/mε。凸锥级联结构具有很高的机械强度，破坏性测试证实，该结构可承受应变最大值可以达到20mε。
从实验中可知，温度和应变同时影响谐振波长的位置和谐振峰的衰减深度，该特性可用于温度和应变的双参量同时测量。假设Δλ和Δp分别代表谐振波长的漂移量和谐振峰衰减深度的变化量，Δε和ΔT分别表示应变和温度的变化，Sε-Δλ、Sε-Δp、ST-Δλ、ST-Δp分别为对应于谐振波长变化和衰减深度变化的应变灵敏度和温度灵敏度。可以得到表征UT-ULPFG传感性能的特征矩阵：
根据实验结果，特征矩阵可以表示为：
其中D＝Sε-ΔλST-Δp-Sε-ΔpST-Δλ。
因此，温度和应变的变化值可以根据谐振波长的漂移量Δλ和谐振峰的衰减深度变化量Δp同时计算出来。对于实验中使用的光谱分析仪，光谱分辨率为0.02nm，光强分辨率为0.01dB。因此，可以测量的温度和应变的最小变化值分别为δT＝(Sε-Δλδp-Sε-Δpδλ)/D＝0.2℃和δε＝(ST-Δpδλ-ST-Δλδp)/D＝6.8uε。
利用仿真软件模拟光栅制作中周期有微小波动情况下透射光谱的变化情况。将本发明提出的UT-ULPFG和具有同样结构的LPFG进行对比分析，假设制作产生的周期误差均为10μm，UT-ULPFG的透射光谱图如图8(a)所示，当光栅周期从2.50mm变为2.51mm时，谐振波长向长波方向漂移了3nm。LPFG的透射光谱图如图8(b)所示，当光栅周期从500μm变为510μm时，谐振波长向长波方向漂移了17nm。这意味着相同的制作误差对LPFG透射特性的影响几乎是UT-ULPFG的6倍。证实本发明提出的UT-ULPFG具有较高的制作重复性，批量生产的可行性也得到了很大的提高。
Claims (5)
1.一种基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法，其具体步骤如下：
步骤1：取一段标准单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)，其中一端连接超连续光源，另一端通过传感头连接到光谱分析仪上，用于实时监测透射光谱；
步骤2：将SMF中间大约1cm左右的部分去掉涂覆层，露出裸纤，并使裸纤部分放置在电极附近，SMF的左右两端固定在光纤夹持器上，然后向计算机中输入光纤的直径，自动计算出合适的张力，并将该张力施加于光纤上使其保持拉直状态；
步骤3：切割刀头由计算机控制调出，使其下落在距离光纤适当的位置处，调出切刀垫板使其上升到刚好使光纤贴附于之上的位置，然后点击计算机屏幕上的切割按钮后，光纤被快速切割，此时将切割刀头尽快抬起，避免残余超声振动对光纤切割端面平整度造成影响，最后将切割刀头和切刀垫板分别调整回原来的位置，完成一次切割过程；
步骤4：通过计算机设置凸锥加工程序，调整放电强度、放电时间以及光纤交叠程度，下达自动熔接按钮指令，三个电极同时放电，形成一个直径增大了的凸起，即为凸锥；
步骤5：通过计算机控制位移平台移动距离等于光栅的周期Λ，带动光纤移动同样的距离，通过重复上述切割和熔接步骤，连续制作出新的凸锥，通过光谱仪实时监测透射谱的变化，直到在出现耦合谐振峰，即为形成了一个基于凸锥级联的超长周期光纤光栅(Up-TaperUltra-Long Period Fiber Grating，UT-ULPFG)；
步骤6：固定光栅的周期Λ，调整熔接程序中光纤的交叠程度，从而改变凸锥的锥腰直径，通过重复步骤1-5，分别制作出级联凸锥个数相同，周期相同的四种不同锥腰直径的UT-ULPFG，并分析锥腰直径变化对其透射特性的影响；
步骤7：固定光纤的交叠程度，调整位移平台移动的距离Λ，通过重复步骤1-5，分别制作出凸锥个数相同，锥腰直径相同的三种不同周期的UT-ULPFG，并分析光栅周期变化对其透射特性的影响；
步骤8：选取一个具有高消光比谐振峰的UT-ULPFG，对其进行温度传感特性的测量，实验中，将光栅放置在温控箱中，其中一端用光纤夹持器固定，另一端挂坠一个10g砝码，以避免光纤弯曲对透射谱的影响，逐渐改变温度，记录光谱的变化情况；
步骤9：对步骤8中所使用的UT-ULPFG进行变应变传感特性的测量，在实验中，光纤的两端用光纤夹持器固定，并挂坠砝码保持拉直状态，通过光纤夹持器的移动控制施加不同的应变，记录光谱的变化情况；
步骤10：通过步骤8获得的不同温度下的光谱变化图和步骤9获得的不同应变下的光谱变化图，追踪谐振波长的漂移和谐振峰衰减深度的变化，计算温度灵敏度和应变灵敏度，建立特征矩阵，实现温度和应变的双参量同时测量；
步骤11：利用仿真软件模拟光栅制作中周期有微小波动情况下的透射光谱的变化情况，证实所提出的UT-ULPFG具有较高的制作重复性。
2.根据权利要求1所述的基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法，其特征在于，在步骤3中，使用的是集光纤切割、熔接和移动功能于一体的半自动光纤处理平台，整个平台的操作由计算机控制，在切割系统中，可根据光纤直径计算所需张力自动施加在光纤上，使光纤拉直，保证切割端面的平整度，切割过程和质量可以通过电极上方的摄像头进行监控，并实时显示在电脑屏幕上，此平台的切割系统是利用超声振动来快速切割光纤，而不是传统的刀片切割，这种切割方法不需要直接与光纤接触，而且切割后的光纤端面更加光滑。
3.根据权利要求1所述的基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法，其特征在于，在步骤4制作凸锥的熔接过程中，可在计算机中建立凸锥的加工程序，放电强度设定为标准强度，电弧放电持续时间为4500ms，根据所制作凸锥的锥腰直径大小，光纤交叠量可在0到150之间调整，三维位移平台的移动精度为1μm，光纤夹持器固定其上，带动光纤一起移动。
4.根据权利要求1所述的基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法，其特征在于，在步骤5中形成的UT-ULPFG，光栅周期Λ在1mm以上，级联的凸锥大小和形状基本相同，锥腰直径在155μm±10μm的量值，经过3个凸锥后可以形成明显的透射峰，整个光栅最小尺寸为2mm。
5.根据权利要求1所述的基于凸锥级联的超紧凑型超长周期光纤光栅制作方法，其特征在于，在步骤8和步骤9中，对Λ＝2mm，d2＝156μm的UT-ULPFG测试得到的温度和应变传感灵敏度分别为66pm/℃、0.017dB/℃和1.146nm/mε、1.947dB/mε。
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