CN111399109A - 基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅 - Google Patents

基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅 Download PDF

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严铁毅
武鹏飞
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Abstract

本发明涉及一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，由激光沿倾斜弧形轨道在光纤上单面曝光而成，能够同时测量光纤扭转的大小和方向。该长周期光纤光栅对折射率的调制效果可通过改变栅格的曲率及倾角而加以调控，其光谱中存在多个特征峰；当光栅的扭转方向相反时，特征峰的漂移方向也将随之改变。该扭转矢量传感器具有结构简单、加工方便等优点，在机械形态检测等方面具有潜在的应用价值。

Description

基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅
技术领域
本发明涉及一种可进行方向性扭转率传感测量的新结构，具体为一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，可应用于机械工程和建筑结构监测等技术领域。
背景介绍
长周期光纤光栅(Long-Period Fiber Grating，简称LPFG)是在光纤上制作的一种无源透射器件。一般由多个呈周期性分布的折射率调制结构组成。根据耦合模原理，光纤的纤芯与包层中传输的光能在经过折射率调制结构后，会发生重新分配。当波长符合相位匹配条件时，该部分光能会从纤芯中耦合至包层中。经过多个折射率调制结构的重新分配，特定波长位置的光能在纤芯与包层区域的分配比例将基本固定，从而在输出光谱中产生不同位置的信号峰。由于光纤的包层有效折射率可受到光纤物理状态的影响，当光纤的物理状态发生改变时，各波长位置的光能分配比例将发生改变，从而在输出光谱中产生信号峰的波长移动。根据信号峰波谷位置的移动，我们能够获得光纤物理状态的变化，利用这一原理可以测量温度、电流、压力、弯曲等方面的微小变化。长周期光纤光栅具有体积小、重量轻、可弯曲、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，适宜于分布传感及远程遥控，既可作为传感器，又可传输信号，并且在传感和传输两个环节具有较高的稳定性，因此在光纤传感系统中得到广泛应用。
扭转矢量传感器是一种能够同时测量扭转率大小和方向的光学器件，在各类机械结构、形态探测领域具有重要的作用，一直是人们研究的热点。传统的扭转矢量传感器多数集中于利用具备特殊结构的光栅实现弯曲大小和方向的同时探测，其实现方式主要包括两种，其一是在激光写制过程中均匀地旋转及平移光纤，从而形成空间非镜面对称的折射率调制结构；另外一种是在加热条件下对光纤进行均匀扭转及固定，以获得内部应力呈螺旋状分布的光纤结构。然而，均匀旋转、平移等加工条件较为复杂，影响因素较多，不利于光纤器件的批量、重复制备；而经扭转后的光纤又容易出现强度下降、内部应力分布不均等问题，导致其使用寿命受到影响。近年来，随着长周期光纤光栅的结构设计与制作技术的不断成熟和完善，基于特殊结构的长周期光纤光栅逐渐成为人们研究的焦点。2016年，Y.Zhao等人(Opt.Express，v.24，2016：6186-6195)使用二氧化碳激光在少模光纤上写制了倾斜栅格的长周期光栅，其特征谐振波谷的波长漂移量与扭转率呈线性关系；2017年，C.Sun等人(IEEE Photon.Technol.Letters，v.29，2017：2179-2182)使用二氧化碳激光在单模光纤上写制了3个曝光方向不同的正规长周期光栅，该光栅级联结构可用于测量扭转大小及方向；还有一些其它结构的光纤光栅级联结构被设计和制作，但是其结构通常需要包含复数个光栅。2012年，本研究小组(Opt.Express，v.25，2017：13448-13454)首次提出了一种栅格倾角呈啁啾分布的长周期光纤光栅，其波长漂移量与扭转率呈正弦函数关系，可以同时测量扭转率及扭转方向。但是，由于结构的限制，该器件需要使用非线性解调方法，不适用于常规的线性解调装置。而本发明设计的基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅不仅可分辨扭转方向，而且能在较大范围内实现波长漂移量对扭转率的线性解调。
发明内容
针对现有光纤光栅传感器在结构设计、扭转方向区分能力和加工难度方面存在的不足，本发明设计一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，提供一种可实现扭转方向和大小同时测量的传感技术方案。
该种长周期光纤光栅由二氧化碳激光在一段光纤上写制多个周期型分布的倾斜弧形调制结构而构成。其特点在于：所述光纤为标准单模光纤；激光的扫描轨迹为曲率较大的圆弧；各个调制结构被称为栅格，其曝光方向相同；两个相邻栅格之间的距离被称为栅格周期，其大小处于500μm～700μm范围内；加工前无需对光纤进行预扭转，加工过程中无需旋转、平移或扭转光纤。
该种长周期光纤光栅的工作原理可作如下解释：入射光在光纤的纤芯中传输，在经过长周期光纤光栅的栅格时，光能会分为两部分传输，一部分仍然在纤芯中继续传输，称为纤芯基模；另一部分被耦合到包层中传输，称为包层模。传输一段距离后，在下一个栅格位置，一部分包层模会被耦合回纤芯中，同时也会有一部分纤芯模耦合进包层。经过多个栅格之后，纤芯模与包层模的能量比例趋于稳定。设光栅的栅格周期为Λ，波长为λ位置的纤芯基模和包层模的有效折射率分别为
Figure BSA0000195848090000031
和
Figure BSA0000195848090000032
当两种有效折射率之差满足长周期光纤光栅的相位匹配条件
Figure BSA0000195848090000033
时，该波长位置的光能将有较大比例耦合进包层模，并最终在包层传输过程中损耗掉，从而在输出光谱上表现为波长位置及深度不同的损耗波谷。当外界环境改变时(如施加扭转或者改变温度)，纤芯基模和包层模的有效折射率差将发生变化，从而使光谱中的损耗波谷发生漂移。通过探测波谷位置波长的漂移量，就可以反推出外界参量的变化情况。
本发明所述长周期光纤光栅的光谱与常规长周期光栅基本相似，但光谱中会出现多个距离较远的独立损耗波谷。其倾斜弧形调制结构的折射率调制量不仅与激光写制深度、栅格周期相关，还可通过改变弧形曲率及栅格倾角而调整。光谱损耗峰对外界参量的响应特性与其纤芯模和包层模之间的有效折射率差相关，因此可以利用损耗峰波谷位置对外界参量变化的响应特性来实现扭转矢量传感。
本发明所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅由二氧化碳激光在光纤上进行单侧曝光而形成，扭转的方向可利用特征损耗峰的漂移方向确定，扭转率的大小可利用损耗峰的漂移大小确定。
本发明所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅实现了利用光纤光栅对扭转方向的辨识，且其扭转灵敏度可通过调整调制结构的曲率、倾角等几何参数而控制。这种结构简单、加工方便的扭转矢量传感器将在机械形态监测等领域发挥重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明的长周期光纤光栅结构示意图。
图2是本发明中倾斜弧形调制结构的坐标示意图。
图3是本发明长周期光纤光栅的透射光谱图，三种光纤光栅的周期均为660μm。其中，黑色曲线是栅格曲率半径为0.5mm、倾角为51度的光纤光栅透射谱图，红色曲线是栅格曲率半径为0.4mm、倾角为53度的光纤光栅透射谱图，蓝色曲线是栅格曲率半径为0.4mm、倾角为66度的光纤光栅透射谱图。
图4是本发明扭转矢量传感器的特征损耗峰对两个方向扭转的响应及其线性拟合结果。其中，图4(a)为光栅谐振峰对扭转的响应；图4(b)为干涉峰波长漂移的线性拟合。
图5是本发明扭转矢量传感器的特征损耗峰对温度的响应及其线性拟合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：
这种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅是在单模光纤上制作的，由二氧化碳激光沿圆弧形轨迹进行多次扫描形成。轨迹所对应圆心的偏移方向与长周期光纤光栅的曝光写制方向垂直，形成倾斜结构。轨迹所在圆弧的曲率半径介于62.5μm～500μm范围内。
整个结构在一根光纤上制作而成。激光扫描轨迹的圆心与光纤中轴线不重合，以在结构中引入手性，使其能够识别扭转的方向。
解调时选择波谷位置在1620nm附近的损耗峰。图中所示光栅的栅格在曝光方向呈向左倾斜状态，当光栅扭转率为正时，损耗峰发生蓝移，反之则发生红移。
图1所示为本发明实施例的倾斜弧形长周期光纤光栅结构示意图，整个结构在单模光纤上制作，光纤沿Z轴方向布设，光栅的曝光区域处于Y轴正方向。
图2为本发明中倾斜弧形调制结构的示意图。光纤直径为D，激光扫描轨迹为圆心坐标位于(x0，z0)、半径为R的圆，红色轨迹为激光曝光区域在XOZ平面上的投影。将该投影与光纤两侧边缘的交点以直线相连，所得线段的法线与Z轴的夹角即为栅格倾角。当该法线位于XOZ平面的第一或第三象限时，定义为栅格向左倾斜；当该法线位于XOZ平面的第二或第四象限时，则定义为栅格向右倾斜。光纤光栅的扭转方向根据如下规则定义：从光纤的任意垂直于中央旋转轴的横截面方向观察，当光纤的近端相对于远端呈逆时针方向旋转时，扭转率定义为正；当近端相对于远端呈顺时针方向旋转时，扭转率则定义为负。当光纤整体呈均匀扭转状态时，扭转率τ绝对值的大小等于两个相距L的横截面的旋转角度差
Figure BSA0000195848090000042
与其间距的比值，即
Figure BSA0000195848090000041
图3是制作的三个本发明的实施例。图中列举了三种具备相似结构及不同参数的长周期光纤光栅的透射光谱图，其栅格周期均为660μm，栅格均向左侧倾斜。黑色曲线是栅格曲率半径为0.5mm、倾角为51度的光纤光栅透射谱图，红色曲线是栅格曲率半径为0.4mm、倾角为53度的光纤光栅透射谱图，蓝色曲线是栅格曲率半径为0.4mm、倾角为66度的光纤光栅透射谱图。根据图3可知，每个长周期光纤光栅的透射谱在1410nm、1500nm及1620nm波长附近均具备较明显的特征损耗峰。
图4是本发明长周期光纤光栅的特征损耗峰对两个方向扭转的响应及其线性拟合图。4(a)为损耗峰波长漂移情况，其中黑色曲线为无扭转状态下的原始光谱，红色系列曲线表示损耗峰向长波方向发生红移，蓝色系列曲线则表示损耗峰向短驳方向发生蓝移；图4(b)为波长漂移与扭转率的线性拟合结果，其中不同颜色的数据点及拟合直线对应具备不同参数的长周期光纤光栅，与图3相一致。从图中可以看出，当所使用长周期光纤光栅发生不同方向的扭转时，谐振峰会向相反方向漂移，且对两个方向的灵敏度基本相同。图中所示的扭转方向区分能力源自倾斜弧形结构对长周期光纤光栅引入的手性，与之前的推论相符。根据特征损耗峰的漂移情况，可以解调出扭转的方向和扭转率的大小。此外，当栅格曲率半径减小或栅格倾角增大时，波长漂移的灵敏度将相应地得到提升，这也与理论分析结果一致。
图5是本发明长周期光纤光栅的特征损耗峰对温度的响应及其线性拟合图，三个长周期光纤光栅样品的栅格周期均为660μm，栅格均向左倾斜。图中1621～1623nm的黑色数据点及拟合直线，对应于栅格曲率半径为0.5mm、倾角为51度的光纤光栅，1636～1638nm的红色数据点及拟合直线，对应于栅格曲率半径为0.4mm、倾角为53度的光纤光栅，1630～1632nm的蓝色数据点及拟合直线，对应于栅格曲率半径为0.4mm、倾角为66度的光纤光栅。对于扭转传感器，温度的交叉敏感是个很重要的问题。图中给出了各特征峰对温度的敏感性，根据所得结果可补偿温度在扭转测量过程中对波长漂移产生的影响。
虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，但本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型和等效设置。

Claims (6)

1.一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，由多个形状、方向及调制深度相同的倾斜弧形调制结构在光纤上周期性排列而构成，能够同时测量扭转率的大小及方向；其特点在于：弧形栅格的曲率大小，决定对光场耦合效率的高低；曲率大，则耦合效率高，反之亦然；栅格倾角的大小，决定谐振峰波长漂移量对单位扭转率的响应值大小；倾角越大，则响应值越大，反之亦然。
2.根据权利要求1所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，其特征在于：所述光纤为标准单模光纤、少模光纤、多模光纤、双包层光纤、微结构光纤、光子晶体光纤。
3.根据权利要求1所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，其特征在于：倾斜弧形调制结构由二氧化碳激光、紫外激光、飞秒激光等具备单侧曝光效果的激光在光纤上周期性地扫描而形成，光纤的折射率在相应的扫描区域受到调制。
4.根据权利要求1所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，其特征在于：调制结构的形状为圆弧形，曲率半径范围为62.5μm～500μm。
5.根据权利要求1所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，其特征在于：调制结构所在圆形轨迹的圆心不处于光纤中轴线上，二者距离范围为0～440μm。
6.根据权利要求1所述基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，其特征在于：该长周期光纤光栅的线性工作温度范围为20.0℃～80.0℃。
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