CN1825090A - 基于超长周期光纤光栅的温度自补偿折射率测量方法及器件 - Google Patents

基于超长周期光纤光栅的温度自补偿折射率测量方法及器件 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于超长周期光纤光栅的温度自补偿液体折射率测量方法，它利用横向折变非对称的超长周期光纤光栅为核心测量器件，先由超长周期光纤光栅的高阶谐振峰测量待测液体的环境温度变化，再由低阶谐振峰测量液体的温度和折射率的共同变化，最后利用高阶谐振峰的温度测量结果对低阶谐振峰的测量结果进行校正，从而实现对不同温度条件下液体折射率的准确测量。本发明还提出了一种折射率测量器，由超长周期光纤光栅和折射率小于其光纤包层的基板构成；光栅被拉直置于基板上的槽内，并保证待测液体滴入槽内能够完全环绕光栅。本发明可以实现温度自补偿折射率测量，测量灵敏度高，结构简单，成本低廉，插入损耗小，可应用于恶劣的工业环境。

Description

基于超长周期光纤光栅的温度自补偿折射率测量方法及器件
                                技术领域
本发明属于光纤传感技术领域；涉及一种在测量具有一定折射率范围的液体折射率时，可补偿其在测量过程中由于温度变化带来的折射率测量误差的折射率测量技术，具体是一种基于高频CO2激光脉冲写入的横向折变非对称的超长周期光纤光栅的温度自补偿折射率测量方法及器件。
                                技术背景
伴随光通信器件、通信设备、光仪器设备成本的逐步降低，光纤传感技术得到了飞跃发展，其中光纤传感器件的研究和应用也日益广泛。折射率是液体的一个特征参量，这个参量对于分析液体特性、将液体应用于光学、生物、化学或其它方面具有重要的作用，因此液体折射率的测量在工业中有着广泛的应用，其测量方法有很多种，比如目前使用最广泛的阿贝测量仪，但却具有使用成本高，不能应用于恶劣环境等缺点；前些时候也有学者利用紫外写入的光纤光栅实现折射率的测量，但却具有测量灵敏度不高和容易受到环境参量如温度等影响的缺点，从而限制了其在折射率测量中的广泛应用。也有学者提出利用光纤光栅的弯曲特性来补偿温度对液体折射率测量的影响，这种方法虽解决了温度串扰的问题，但实现起来却较为复杂，并且测量灵敏度很低。因此液体折射率测量所需解决的重要问题，不仅是如何提高其测量的灵敏度，还有如何在恶劣的环境下实现测量，在测量过程中如何避免其它参数的干扰。
                                发明内容
本发明的目的在于克服现有技术使用复杂、测量技术成本极高以及测量过程易受温度影响的不足，设计一种基于超长周期光纤光栅的在测量过程可以实现温度补偿、结构简单、成本低廉、全光纤型的高灵敏度折射率测量方法及器件。
本发明设计的温度自补偿折射率测量方法是基于横向折变非对衬的超长周期光纤光栅高阶谐振峰和低阶谐振峰所具有的独特的温度和折射率变化特性：超长周期光纤光栅高阶谐振峰谐振波长对折射率不敏感，而对温度敏感，首先用这个谐振峰来测量待测液体环境温度的变化；它的低阶谐振峰对环境折射率和温度都敏感，将它用来测量待测液体，测量结果反映即液体温度和折射率的共同变化；最后再利用高阶谐振峰的温度测量结果对低阶谐振峰的测量结果进行校正，从而实现对不同温度条件下液体折射率的准确测量，这种测量的灵敏度极高。
实现上述方法的折射率测量器件是由超长周期光纤光栅和基板(如SiO2))构成，该超长周期光纤光栅的周期1mm～5mm，横截面折射率呈现非对称分布，超长周期光纤光栅被拉直放置于基板上的槽内，槽的深度和宽度大于超长周期光纤光栅的光纤直径，并保证待测液体滴入槽内能够完全环绕光栅，超长周期光纤光栅的两端与连接光纤连接，以接入整个测量系统中。
本发明利用超长周期光纤光栅实现了在有限波长范围内相隔较远的高阶谐振峰和低阶谐振峰的同时出现，还巧妙的利用超长周期光纤光栅高阶谐振峰和低阶谐振峰独特的温度和折射率特性，实现了温度自补偿的折射率测量，另外，还创新性的提出将超长周期光纤光栅每个周期横截面折射率的变化加工成非对称结构，从而大大提高了液体折射率的测量灵敏度。本发明具有结构简单、成本低廉、插入损耗小、可应用于恶劣的工业环境、容易制造等优点，和现有的方法相比，具有明显的性价比优势。
                                附图说明
图1是超长周期光纤光栅的结构图；
图2是用高频CO2激光脉冲写入法写出的光栅周期为3mm的超长周期光纤光栅的典型透射谱；
图3是基于上述超长周期光纤光栅的温度自补偿折射率测量器件的结构图；
图4是一个使用图3所示的测量器件的折射率测量系统的结构示意图。
图5是测试曲线对比。
                                具体实施方式
在本发明中，申请人利用了一种新的光栅波导结构——超长周期光纤光栅，图1为这种超长周期光纤光栅的波导结构图。图1(a)中，1为光纤包层，2为光纤纤芯，3为光纤横截面折射率的变化位置，图1(b)为这种超长周期光纤光栅折射率变化在横截面的分布，4所指颜色的深度代表折变的相对大小，颜色越深折变越大，光栅的总长度是L，周期为 由图可见其折射率变化在光纤横截面呈现非对称分布，而要实现这种变化可以使用聚焦的CO2激光脉冲或电弧放电等方法，在具体的实施中可利用高频CO2激光脉冲(也可以采用电弧法等其它写入方式)通过单侧入射在普通单模通信光纤上写出如图1所示特殊结构的超长周期光纤光栅(周期1mm～5mm，横截面折射率呈现如图1所示的非对称分布)。这种特殊的光栅波导结构不只是原先普通光栅周期的简单扩大，而是使得光纤光栅的模式耦合发生了较大的变化，即最后可形成在有限的波长范围内高阶谐振峰和低阶谐振峰的同时出现。
图2为一个光栅周期为3mm，用高频CO2激光脉冲写入法写出的超长周期光纤光栅的典型透射谱，图2中，A为高阶谐振峰，B为低阶谐振峰(在有限的波长范围内，比如1300nm～1700nm，从左至右是从高阶谐振峰到低阶谐振峰的顺序)。在具体使用中，使用两个谐振峰谐振波长相距较远、谐振幅度较大、插入损耗较小的两个谐振峰进行温度自补偿的折射率测量。
为使用方便，申请人利用MEMS工艺加工制作了一块SiO2玻璃基板(一般的MEMS工艺都能制作，其具体的长宽高尺寸取决于超长周期光纤光栅实际实用环境)，在基板中轴线加工了一个微小线槽，线宽稍大于光纤直径(比如可以为300um等)，线深可以略大些(其具体深度应跟矩形槽的深度一致)，这两个都不是重要参数，关键是可以将光纤埋入其中即可。在线槽的中心，加工了一个矩形槽，矩形槽的长度略大于光栅的总长度，宽度和深度都需要大于光纤的直径，并且要保证待测液体滴入矩形槽内能够完全环绕光栅，在我们的应用中，分别设计并加工出的矩形槽宽度和深度均为2mm。将利用高频CO2激光脉冲写入的超长周期光纤光栅放入SiO2玻璃基板的线槽中，并且让光栅部分位于矩形槽内(光栅在矩形线槽内需要保持拉直的直线状态)，除矩形槽外，将两边的线槽用聚合物填充完毕，就形成了图3所示的测量折射率的完整器件。图3中，6为玻璃基板，7为超长周期光纤光栅，8为加工的矩形槽，9为加工的线槽，10和11为连接超长周期光纤光栅的连接光纤，5为将光栅放于玻璃基板后添加的有机材料(添加该材料的目的是为了固定光纤，具有一定粘度和可靠性的有机材料均可)。这里需要强调的是，根据应用环境的不同，超长周期光纤光栅的基板可以有不同的设计，这个由一般的技术人员就可以完成。
图4是上述测量折射率器件的温度自补偿折射率系统的结构框图，图中10、11、12分别为连接光纤，13为ASE稳定化宽带光源，14为偏振控制器，6为SiO2基板，8为基板上的矩形槽，7为超长周期光纤光栅，15为光谱仪，17为计算机，16为GPIB接口连接线。
以下是利用图4所示的测量系统完成对不同温度和浓度的甘油水溶液和蔗糖溶液的测量的过程：
首先不滴入任何液体进入矩形槽中，改变环境温度，通过图3可以测出超长周期光纤光栅高阶谐振峰和低阶谐振峰对温度的响应曲线，从而标定这两个谐振峰谐振波长的温度灵敏度系数，将系数记录在计算程序中。然后恒定环境温度，将不同浓度甘油水溶液和蔗糖溶液分别滴入矩形槽中(通过阿贝测量计进行精确标定，溶液的浓度和折射率之间有一个简单的计算关系)，然后通过图3所示系统分别测出超长周期光纤光栅高阶谐振峰和低阶谐振峰谐振波长随折射率变化的曲线关系，然后将关系式(或者数值化后的对应数据值)记录在计算程序中(从发明内容知道，由于高阶谐振峰对折射率变化不敏感，因此只需记录低阶谐振峰谐振波长随折射率变化的关系/数据)。
然后再利用图4所示系统对不同环境温度、不同折射率溶液的浓度进行温度自补偿测量，实验中，假定室温25℃为测试的标准温度，我们对4种不同浓度的折射率溶液在温度变化+10℃，即35℃温度状态下进行了测量(室温状态认为是原始状态，不考虑温度补偿的问题)，并将测量结果与用阿贝测量计测试的结果进行比较，结果发现两者吻合得很好，并且发现申请人发明的这种方法测量的液体折射率分辨率可高达0.001，其理论测量范围可达0～1.5(在实验中由于配置不同折射率溶液有难度，因此只是在折射率1.32～1.45的范围内容进行了实验)。其测试结果如图5所示，图5中，a为低阶谐振峰测试曲线，b为温度校正后折射率测试曲线，c为阿贝测量仪测试的结果，d为b与c的差值曲线，从曲线d可以看出，通过温度校正之后的折射率测量非常准确，其精度可达0.001。
与图5对应的测试数据表如下：
  液体样本   实际测试折射率(1)   温度校正后折射率(2)   阿贝测量折射率(3)   差值(2)-(3)
  1   1.3213   1.321   1.32099   1E-05
  2   1.3615   1.3611   1.3601   0.001
  3   1.4015   1.4012   1.40119   1E-05
  4   1.4416   1.4412   1.441199   1E-06

Claims (3)

1、基于超长周期光纤光栅的温度自补偿液体折射率测量方法，其特征在于：该方法利用横向折变非对称的超长周期光纤光栅为核心测量器件，先由超长周期光纤光栅的高阶谐振峰测量待测液体的环境温度变化，再由超长周期光纤光栅的低阶谐振峰测量液体的温度和折射率的共同变化，最后利用高阶谐振峰的温度测量结果对低阶谐振峰的测量结果进行校正，从而实现对不同温度条件下液体折射率的准确测量。
2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：选取超长周期光纤光栅上两个谐振峰谐振波长相距较远、谐振幅度较大、插入损耗较小的两个谐振峰进行温度自补偿的折射率测量。
3、实现权利要求1所述方法的折射率测量器，其特征在于它包括超长周期光纤光栅和折射率小于光纤包层的基板构成；所述超长周期光纤光栅的周期1mm～5mm，横截面折射率呈现非对称分布；超长周期光纤光栅被拉直设置于基板上的槽内，槽的深度和宽度大于超长周期光纤光栅的光纤直径，并保证待测液体滴入槽内能够完全环绕光栅，超长周期光纤光栅的两端与连接光纤连接。
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