CN1181362C - 一种用于传感检测的光纤光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电子技术领域，是一种用于传感检测应变和温度高响应灵敏度的长周期光纤光栅制作方法，用红外脉冲激光光束直接逐步、逐点周期照射到裸光纤纤芯，使光纤纤芯折射率发生周期性永久变化，通过选择不同的光纤纤芯材料和封装材料，制作出不同特性的光纤光栅，该光栅温度和应力响应灵敏度比通信用光纤光栅提高100倍，能够埋覆在被测物体和材料内部，可实现压力和温度同时区分、实时监测，具有广泛的应用前景。

Description

一种用于传感检测的光纤光栅制作方法

涉及领域

本发明属于光电子技术领域，是一种用于传感检测应变和温度高响应灵敏度的光纤光栅制作方法。

背景技术

光纤光栅作为智能化结构的传感器可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量等诸多物理量实现多点分布、同时区分、实时在线、永久检测。其检测原理基本上是由被测物理量的变化而引起光纤光栅反射或透射谱的波长偏移、相位变化、偏振态变化及强度变化，通过解调这些光谱变化而达到对被测物理量的检测目的。由于光纤光栅具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、易集成、结构简单等许多本质优点，故自从20世纪70年代问世以来，受到国内外的普遍关注。人们竭力探索它在光通信和光传感方面的应用。目前光纤光栅在光通信应用中作为基本光学有源和无源器件的应用技术比较成熟，而在光传感检测应用中的许多理论和技术问题还没有解决，如对于光纤光栅应用在传感检测中对压强和温度等被测物理量的光谱响应灵敏度低的问题，限制了它的推广应用。

目前在光纤通信系统中使用的光纤光栅基本上是用紫外激光通过全息法或掩模(Mask)法，并对光纤纤芯进行掺杂、载氢等光敏化处理，实现纤芯折射率周期性变化的过程。这种光栅具有较强的光敏性，但也具有对应力和温度响应灵敏度低的不足，如硅基质掺锗裸光纤Bragg光栅中心波长1550nm时对温度响应为0.011nm/℃，应力响应为0.0013nm/με，这种特性在光纤通信中作为元器件是有利的，因为它有较好的稳定性。但是这样低的温度和应力响应灵敏度在传感测量的信号解调中是十分困难的，很难适合于传感测试的实际需要。

从目前国内外相关文件查阅可知，也有一些关于提高光纤光栅压强和温度响应灵敏度的报导，但都是在光纤光栅写入后通过封装技术来实现的。如G.C.Lin等人将“裸”光栅封装于铅中利用铅的较大热膨胀系数，实现了对温度响应灵敏度增加5倍的效果；M.G.Xu等人利用机械作用原理，将“裸”光纤光栅封装于一个中空的玻璃球壳内，将测试压强灵敏度提高7倍的效果。这些方法仍然没有从光纤光栅物理结构的内在本质上提高对压强和温度的响应灵敏度，另外由于封装技术的局限性，很不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的，用红外脉冲激光光束对光纤纤芯进行直接写入传感测试用长周期光栅(LPFG)，从技术源头上解决光纤光栅对压力和温度响应灵敏度低的问题，制作出更能适合于传感测试需要的长周期光纤光栅。

本发明的内容：

开启红外脉冲激光器，使脉冲光束经光束准直狭缝2直接照射到裸光纤纤芯，然后计算机控制红外脉冲激光器沿光纤纵向方向移动一个光栅周期，用红外脉冲激光光束直接逐点周期照射到裸光纤纤芯，使光纤纤芯折射率发生周期性永久变化，然后选择纤芯材料和封装材料，即纤芯材料和封装材料可分为温敏材料和压敏材料，制作温度传感光纤光栅，纤芯材料和封装材料选用温敏材料；制作压力传感光纤光栅，纤芯材料和封装材料选用压敏材料，最后制作出特性各异的长周期光纤光栅。

所采用的红外脉冲激光光源1的输出波长为800μm～1500μm，输出功率为10～20W。

所采用的光纤是抗疲劳光纤，抗拉力强度大于45N，抗疲痨因子n≥100。

本发明的优点在于：由于这种方法可实现较高的折射率调制度，其应力和温度响应灵敏度可提高100倍，即温度响应为1.1nm/℃，应力响应为0.13nm/με。

(1)发明了不同于通信用光纤光栅的写入法。采用红外脉冲激光直接暴光的方法，不需要对光纤纤芯采用高压载氢及掺杂等提高光敏性的处理；

(2)通过选择不同纤芯材料和不同封装材料来制做对应力和温度不同敏感的测压光栅和测温光栅；

(3)该传感测试用光纤光栅对应力和温度响应灵敏度比通信用光纤布拉格光栅提高100倍；

(4)该传感测试用光纤光栅传感器，能够埋覆在在被测物体和材料内部，可实现压力和温度同时区分、实时监测，具有广泛的应用前景。

该发明中采用的方法与目前国内外公开使用的方法不同之处是在制作光纤光栅时所使用的光源不同，即本发明采用红外激光脉冲光源，红外激光脉冲光束周期性逐点、逐步照射裸光纤纤芯产生的局部高温使得被加热处纤芯中的残余应力得以释放和密度增加，周期性的应力释放和密度增加通过光弹效应使光纤折射率沿轴向周期性变化从而形成长周期光纤光栅(LPFG)。单侧入射的红外激光光束，在光纤表面同时产生反射和透射，使得透射光的能量沿激光入射方向逐渐减弱，以致在光纤面向激光入射的一侧激光能量较强，而在背向入射方向的一侧激光的能量较弱，从而导致在光纤横截面上因红外激光光束加热而引起的折射率分布不均匀。即在光纤面向激光入射方向的一侧，密度增加较大，残余应力释放较多，因此折射率增加较大；而在光纤背向激光入射方向的一侧，密度增加较小。红外激光脉冲光束写入的LPFG横截面折射率分布不均匀导致了其弯曲、扭曲、横向负载等特性的方向相关性。

由模式耦合理论可知，在光纤中引入某种微扰会导致模式耦合。LPFG中的模式耦合主要是指同向传播的导模和包层模之间的耦合。由模式耦合的相位匹配条件可得LPFG的初始谐振波长λ_res为

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}=(n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}}^m)\mathrm{\Λ}$

式中n_core为纤芯导模有效折射率，n_clad ^m为m阶包层模有效折射率，Λ为光栅周期。LPFG的谐振波长λ_max如下式所示

${\mathrm{\λ}}_{\max }={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}(1+\frac{{\mathrm{\δn}}_{\mathrm{core}}\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}}{\mathrm{d\Λ}}}{{(n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}}^m)}^2})$

式中δ_ncore为纤芯导模平均有效折射率的变化。模式耦合对导模和包层模中微扰的高度敏感性使得LPFG的谐振波长的谐振峰幅值对纤芯和包层每个周期内的平均有效折射率变化非常敏感。外界条件(温度、应力等)的变化，使得LPFG纤芯有效折射率、包层有效折射率和光栅周期等发生变化，即使纤芯导模和正向传播的包层模之间的耦合条件发生变化，从而导致LPFG的透射谱的波长偏移、相位变化、偏振态变化及强度等物理量变化，通过测量这些物理量的变化，可得到温度和压力的变化。

不同特性的长周期光纤光栅，与纤芯材料和封装材料的特性有关，制作温度传感光纤光栅，纤芯材料和封装材料选用温敏材料；制作压力传感光纤光栅，纤芯材料和封装材料选用压敏材料。

附图说明：

图1：红外脉冲光束直接照射法制作长周期光纤光栅装置图；

图2：典型硅光纤光栅透射谱曲线；

图3：大芯径硅光纤光栅透射谱曲线；

图4：塑料光纤光栅透射谱曲线。

具体实施

下面结合附图1进行描述长周期光纤光栅的制作过程。

本制作装置如图1所示：一根光纤3从中间剥去一定长度的涂覆层，形成裸光纤纤芯4，将光纤3拉直并用光纤夹钳9固定在光纤夹持台8上，光纤一端接入宽带光源5，另一端接入光谱仪6。计算机7控制的红外脉冲激光器1与光束准直狭缝2固定连接，红外脉冲光束通过光束准直狭缝2直接照射到光纤3的纤芯4上。

在制作的整个过程，红外脉冲激光器1采用CO₂脉冲激光器，宽带光源5(半导体激光器)作为读光栅光源，其功率为10mW，光谱仪6(MS9710B/C)做为检测仪进行光栅性能的测试，分析监测写入光栅的透射谱线状况，光束准直狭缝2与光纤3的垂直距离为2～5mm，狭缝缝宽＜10μm，(直径小于10μm)。

本实施例的主要工艺流程如下：

1、将一根光纤从中间剥去一定长度的涂覆层。

2、将光纤拉直并固定在光纤夹持台上，两端分别接入宽带光源和光谱仪。

3、开启红外脉冲激光器，使脉冲光束经光束准直狭缝2直接照射到裸光纤纤芯，然后计算机控制红外脉冲激光器沿光纤纵向方向移动一个光栅周期，红外脉冲激光器再次发出脉冲光束经光束准直狭缝直接照射到裸光纤纤芯上，计算机控制红外脉冲激光器沿光纤纵向方向每移动一次，红外脉冲激光器就发出脉冲光束通过光束准直狭缝直接照射到裸光纤纤芯区上一次，这样裸光纤纤芯经红外脉冲光束逐步、逐点周期照射，使光纤纤芯折射率轴向发生周期性永久变化，写出相应的长周期光纤光栅。

4、对写入的光纤光栅进行封装。

实施例1

由于硅光纤对温度变化比较敏感，选用一根康宁SMF-28硅光纤，CO₂脉冲激光器的输出功率为10W，利用装置图1制作的传感检测温度用的长周期光纤光栅，该LPFG的周期Λ＝450μm，周期数为500，其自由状态时谐振波长λ＝1530.82nm，透射峰值为21.09dB。其透射谱如图2所示，

对写入的LPFG用温敏材料环氧树脂聚合物材料进行封装。

实施例2

为了增强光纤光栅的机械强度，选用一根大芯径的硅光纤，其光纤纤芯直径50μm、光纤包层直径125±3μm、涂碳层厚度30～50nm，CO₂脉冲激光器的输出功率为20W，利用装置图1制作的传感检测温度用的长周期光纤光栅，该LPFG的周期Λ＝600μm，周期数为500，其透射谱如图3所示。

对写入的LPFG用温敏材料聚酰纤维聚合物材料进行封装。

实施例3

由于塑料光纤对压力变化比较敏感，选用一根抗疲痨塑料光纤，CO₂脉冲激光器的输出功率为10W，利用装置图1制作的传感检测压力用的长周期光纤光栅。该LPFG的周期Λ＝450μm，周期数为500，其透射谱如图4所示。

写入的LPFG用压敏材料聚四氟乙烯进行封装。

除上述各种实施例外，采用本专利所述的方法，还可以在单模光纤中制作不同波长和不同特性的传感测试用的长周期光纤光栅。

Claims (3)

1、一种用于传感检测的光纤光栅制作方法，其特征在于：开启红外脉冲激光器，使脉冲光束经光束准直狭缝2直接照射到裸光纤纤芯，然后计算机控制红外脉冲激光器沿光纤纵向方向移动一个光栅周期，用红外脉冲激光光束直接逐点周期照射到裸光纤纤芯，使光纤纤芯折射率发生周期性永久变化，然后选择纤芯材料和封装材料，即纤芯材料和封装材料可分为温敏材料和压敏材料，制作温度传感光纤光栅，纤芯材料和封装材料选用温敏材料；制作压力传感光纤光栅，纤芯材料和封装材料选用压敏材料，最后制作出特性各异的长周期光纤光栅。

2、根据权利要求1所述的一种用于传感检测的光纤光栅制作方法，其特征在于：所采用的红外脉冲激光光源(1)的输出波长为800μm-1500μm，输出功率为10-20W。

3、根据权利要求1所述的一种用于传感检测的光纤光栅制作方法，其特征在于：所采用的光纤是抗疲劳光纤，抗拉力强度大于45N，抗疲劳因子n≥100。

Images