基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法技術

本發明專利技術提供了一種基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法，包括以下步驟：在細芯光纖上采用飛秒激光直寫的方法刻寫長周期光纖光柵(LPFG)；利用刻有LPFG的細芯光纖與普通單模光纖(SMF?28E)熔接構成的馬赫曾德結構對LPFG進行調制；得到溫度和應變的變化量與諧振峰強度與波長的變化矩陣；通過光譜儀檢測細芯光纖馬赫曾德透射譜諧振峰的波長變化值△λ和強度變化值△P，代入變化矩陣中，得出環境溫度和應變的改變情況。本發明專利技術利用馬赫曾德透射光譜被長周期光纖光柵調制的特性，通過監測其線性測量區某個透射諧振峰的波長與強度變化，可以實現溫度與應變兩個參數的區分測量。

【技術實現步驟摘要】
基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法
本專利技術涉及一種對溫度和應變進行測量的方法，特別涉及一種基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法。
技術介紹
光纖光柵在光纖激光器和光纖傳感領域的研究和應用非常重要，光柵周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵(Longperiodfibergrating,LPFG)，其特點是同向傳輸的纖芯基模和包層模之間耦合，基本無后向反射光，屬于透射型帶阻濾波器。與光纖布拉格光柵相比(FiberBragggrating,FBG)，長周期光纖光柵的諧振波長和諧振強度對外界環境的變化非常敏感，具有更大的溫度靈敏度系數，作為溫度傳感器能夠對800℃的高溫進行測量；同時，在光纖激光器領域，利用其敏感特性可以對透射譜峰進行調諧，作為可調諧濾波器能夠實現波長可切換激光輸出。因此，長周期光纖光柵具有更多的優點，在光纖傳感和光纖激光領域具有更大的發展潛力和應用前景。A.M.Vengsarkar等人于1996年首次在載氫光纖上成功刻寫長周期光纖光柵，在此基礎上，國內外對長周期光纖光柵的制作方法進行了全面的研究，在1200-1600nm范圍內實現了LPFG的制備，但是在1800-1900nm光譜范圍內制備LPFG仍然鮮有報道，而該波段光對大氣和煙霧的穿透能力強，在軍事上可用于激光測距和激光雷達，在石油開采、天然氣管道泄露探測、大氣中溫室氣體探測等領域都具有重大的研究意義和廣闊的應用前景。相比于以上介紹的長周期光纖光柵的傳統制備方法，利用飛秒激光光源，采用逐點刻寫方法在各種光纖內制作布拉格光柵用于光纖傳感和光纖激光等領域的研究已經成為熱點。飛秒激光加工技術具有傳統激光加工技術中加工高精度、操作簡便、效率高的技術特點，又憑借其飛秒量級的超短脈寬和帕瓦量級的超強峰值功率在光纖微納材料的高精密、高分辨率和低損傷的加工中顯示出其獨特的優勢。利用飛秒激光脈沖照射硅基材料能產生永久性的折射率變化，采用飛秒激光直寫或者相位掩模技術調制纖芯折射率，可在光纖中制造出光纖光柵結構。此方法不需要光敏光纖，光柵周期可以靈活選取，并且刻寫的光柵具有很高的熱穩定性。綜上所述，飛秒激光加工技術已經成為現代工業加工中的研究熱點之一，國內外研究機構采用飛秒激光加工技術制備長周期光纖光柵已經取得了一定的研究成果。基于飛秒激光制備光纖光柵主要有掩模法和直寫法，掩模法是指將掩模板放置于光纖上方，采用飛秒激光照射工作波長為800nm的掩模板，使光纖纖芯發生折射率變化。雖然該方法成柵一致性較好，但是由于掩模板成本較高，且制備LPFG靈活性較差。1999年，日本京都大學的YukiKondo等人將中心波長800nm，脈寬120fs，重復頻率為200kHz的飛秒激光用20×的顯微物鏡聚焦到標準單模光纖(Singlemodefiber,SMF)纖芯內刻出周期為460μm，長度約3mm的長周期光纖光柵，損耗峰波長在1320nm附近，透射強度峰值為-15dB(反射率為96.84％)，對該光柵的熱穩定性研究結果表明在溫度小于500℃時損耗峰波長與未進行熱處理前的相同，從而證明該刻寫方法具有很高的熱穩定性。2005年，M.Dubov等人使用352nm波段飛秒激光器采用逐點刻寫法在普通單模光纖(SMF-28e)上刻寫得到長周期光纖光柵，其在1380nm附近諧振峰深度達到近-30dB。2006年,該團隊又使用800nm飛秒激光器刻寫得到長周期光纖光柵，諧振峰深度約為-14dB。2005年，Kalachev等人使用264nm飛秒激光器在載氫后的普通單模光纖中刻寫得到諧振峰深度為-25dB的長周期光纖光柵，諧振波長為1500nm。2006年南開大學N.Zhang等人利用800nm飛秒激光在SMF-28e鍺硅光纖內成功寫入了強度為8dB的LFBG，但是其透射光譜只有一個波長在附近的諧振主峰，且光譜后向反射損耗較大。2006年，B.Gilberto等人首次用264nm飛秒激光逐點掃描光子晶體光纖寫出強度達20dB的長周期光纖光柵，諧振波長出現在1500-1600nm范圍。2009年香港理工SJLiu等人將波長800nm，重頻1kHz的脈沖激光通過顯微鏡聚焦，在SMF-28e光纖上實現了線寬小于10nm，諧振深度為15dB的LPFG；2010年該團隊提出了一種利用飛秒激光在光子晶體光纖上寫制結構型長周期光纖光柵的方法，獲得了諧振波長為1550nm的透射峰。LPFG的柵區長度只有4mm，光柵諧振強度大于20dB，器溫度和拉伸應變靈敏系數分別為7.81pm/℃，-1.91pm/με。因此，需要一種基于飛秒激光直寫技術制備長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法，利用馬赫曾德透射光譜被長周期光纖光柵調制的特性，通過監測其線性測量區某個透射諧振峰的波長與強度變化，可以實現溫度與應變兩個參數的區分測量。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法，該方法包括以下步驟：步驟一：在細芯光纖上采用飛秒激光直寫的方法刻寫長周期光纖光柵(LPFG)；步驟二：利用刻有LPFG的細芯光纖與普通單模光纖(SMF-28E)熔接構成的馬赫曾德梳狀濾波結構對LPFG進行調制；步驟三：得到馬赫曾德諧振峰波長的變化與外界溫度的變化成近似的線性關系，馬赫曾德諧振峰強度的變化與外界溫度的變化△T和應變△ε成近似的線性關系，從而得到溫度和應變的變化量與諧振峰強度與波長的變化矩陣；步驟四：通過光譜儀檢測細芯光纖馬赫曾德透射譜諧振峰的波長變化值△λ和強度變化值△P，帶入步驟三的變化矩陣中，得出環境溫度和應變的改變情況。步驟一中，所述采用飛秒激光直寫的方法具體步驟為：所述激光器產生的飛秒激光經過光路調整后，進入高精度加工平臺，通過控制平臺中的光開關，對飛秒激光進行脈沖調制。其中，所述LPFG直寫系統包括飛秒激光器、高精度加工平臺、光譜儀、寬帶光源。優選地，所述細芯光纖的芯徑尺寸為5/130微米。優選地，所述LPFG的透射波長在1.5微米波段。優選地，所述普通單模光纖(SMF-28E)的芯徑尺寸為9/125微米。優選地，所述寬帶光源波段為1500～1620nm。步驟二中，所述刻有LPFG的細芯光纖兩端與芯徑較粗的單模光纖(SMF-28E)熔接，形成馬赫曾德結構，所述馬赫-曾德梳狀濾波器的梳狀譜中，相鄰峰值的波長間隔與中心波長、細芯光纖長度和纖芯與包層的折射率差有關。當中心波長一定時，相鄰峰值的波長間隔是細芯光纖長度和纖芯與包層間折射率差的函數。步驟三中，當環境溫度或者應變發生改變，光柵周期、長度和纖芯與包層傳導模的有效折射率也會發生改變，透射光譜的形狀與強度分布也隨之改變。馬赫曾德諧振峰波長的變化與外界溫度的變化成近似的線性關系。Δλ＝K11ΔT+K12Δε(8)其中K11為溫度靈敏度系數，K12為應變靈敏度系數。馬赫曾德諧振峰強度的變化與外界溫度的變化△T和應變△ε成近似的線性關系，可以表示為：ΔP＝K21ΔT+K22Δε(9)其中，K21為溫度靈敏度系數，K22為應變靈敏度系數，因此由公式(8)和(9)可以得到溫度和應變的變化量與諧振峰強度與波長的變化矩陣：通過光譜儀檢測細芯光纖馬赫曾德透射譜諧振峰的波長變化值△λ和強度變化值△P，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法，該方法包括以下步驟：步驟一：在細芯光纖上采用飛秒激光直寫的方法刻寫長周期光纖光柵LPFG；步驟二：利用刻有LPFG的細芯光纖與普通單模光纖熔接構成的馬赫曾德結構對LPFG進行調制；步驟三：得到馬赫曾德諧振峰波長的變化與外界溫度的變化成近似的線性關系，馬赫曾德諧振峰強度的變化與外界溫度的變化△T和應變△ε成近似的線性關系，從而得到溫度和應變的變化量與諧振峰強度與波長的變化矩陣；步驟四：通過光譜儀檢測細芯光纖馬赫曾德透射譜諧振峰的波長變化值△λ和強度變化值△P，帶入步驟三的變化矩陣中，得出環境溫度和應變的改變情況。

【技術特征摘要】
2016.11.02 CN 20161094629461.一種基于長周期光纖光柵和細芯光纖的溫度與應變測試方法，該方法包括以下步驟：步驟一：在細芯光纖上采用飛秒激光直寫的方法刻寫長周期光纖光柵LPFG；步驟二：利用刻有LPFG的細芯光纖與普通單模光纖熔接構成的馬赫曾德結構對LPFG進行調制；步驟三：得到馬赫曾德諧振峰波長的變化與外界溫度的變化成近似的線性關系，馬赫曾德諧振峰強度的變化與外界溫度的變化△T和應變△ε成近似的線性關系，從而得到溫度和應變的變化量與諧振峰強度與波長的變化矩陣；步驟四：通過光譜儀檢測細芯光纖馬赫曾德透射譜諧振峰的波長變化值△λ和強度變化值△P，帶入步驟三的變化矩陣中，得出環境溫度和應變的改變情況。2.根據權利要求1所述的測試方法，步驟一中所述LPFG直寫系統包括飛秒激光器、高精度加工平臺、光譜儀、寬帶光源；所述細芯光纖的芯徑尺寸為5/130微米；所述LPFG的透射波長在1.5微米波段；所述普通單模光纖(SMF-28E)的芯徑尺寸為9/125微米；所述寬帶光源波段為1500～1620nm。3.根據權利要求1或2所述的測試方法，步驟二中所述刻有LPFG的細芯光纖兩端與芯徑較粗的單模光纖(SMF-28E)熔接，形成馬赫曾德結構，基于細芯光纖馬赫-曾德干涉儀結構總光強I為其中I1、I2和分別為細芯光纖中纖芯和包層的光強和相移差，且其中，n1和n2分別為纖芯和包層的有效折射率，L1和L2分別為光束在纖芯和包層中傳輸的長度；由于干涉臂長度相等，且存在折射...

【專利技術屬性】
技術研發人員：祝連慶，張開宇，閆光，何巍，董明利，婁小平，辛璟燾，
申請(專利權)人：北京信息科技大學，
類型：發明
國別省市：北京,11