基于长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法与流程

本发明涉及一种对温度和应变进行测量的方法，特别涉及一种基于长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法。

背景技术：

光纤光栅在光纤激光器和光纤传感领域的研究和应用非常重要，光栅周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅(Long period fibergrating,LPFG)，其特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间耦合，基本无后向反射光，属于透射型带阻滤波器。与光纤布拉格光栅相比(FiberBragg grating,FBG)，长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，具有更大的温度灵敏度系数，作为温度传感器能够对800℃的高温进行测量；同时，在光纤激光器领域，利用其敏感特性可以对透射谱峰进行调谐，作为可调谐滤波器能够实现波长可切换激光输出。因此，长周期光纤光栅具有更多的优点，在光纤传感和光纤激光领域具有更大的发展潜力和应用前景。A.M.Vengsarkar等人于1996年首次在载氢光纤上成功刻写长周期光纤光栅，在此基础上，国内外对长周期光纤光栅的制作方法进行了全面的研究，在1200-1600nm范围内实现了LPFG的制备，但是在1800-1900nm光谱范围内制备LPFG仍然鲜有报道，而该波段光对大气和烟雾的穿透能力强，在军事上可用于激光测距和激光雷达，在石油开采、天然气管道泄露探测、大气中温室气体探测等领域都具有重大的研究意义和广阔的应用前景。

相比于以上介绍的长周期光纤光栅的传统制备方法，利用飞秒激光光源，采用逐点刻写方法在各种光纤内制作布拉格光栅用于光纤传感和光纤激光等领域的研究已经成为热点。飞秒激光加工技术具有传统激光加工技术中加工高精度、操作简便、效率高的技术特点，又凭借其飞秒量级的超短脉宽和帕瓦量级的超强峰值功率在光纤微纳材料的高精密、高分辨率和低损伤的加工中显示出其独特的优势。利用飞秒激光脉冲照射硅基材料能产生永久性的折射率变化，采用飞秒激光直写或者相位掩模技术调制纤芯折射率，可在光纤中制造出光纤光栅结构。此方法不需要光敏光纤，光栅周期可以灵活选取，并且刻写的光栅具有很高的热稳定性。综上所述，飞秒激光加工技术已经成为现代工业加工中的研究热点之一，国内外研究机构采用飞秒激光加工技术制备长周期光纤光栅已经取得了一定的研究成果。

基于飞秒激光制备光纤光栅主要有掩模法和直写法，掩模法是指将掩模板放置于光纤上方，采用飞秒激光照射工作波长为800nm的掩模板，使光纤纤芯发生折射率变化。虽然该方法成栅一致性较好，但是由于掩模板成本较高，且制备LPFG灵活性较差。1999年，日本京都大学的Yuki Kondo等人将中心波长800nm，脉宽120fs，重复频率为200kHz的飞秒激光用20×的显微物镜聚焦到标准单模光纤(Single mode fiber,SMF)纤芯内刻出周期为460μm，长度约3mm的长周期光纤光栅，损耗峰波长在1320nm附近，透射强度峰值为-15dB(反射率为96.84％)，对该光栅的热稳定性研究结果表明在温度小于500℃时损耗峰波长与未进行热处理前的相同，从而证明该刻写方法具有很高的热稳定性。2005年，M.Dubov等人使用352nm波段飞秒激光器采用逐点刻写法在普通单模光纤(SMF-28e)上刻写得到长周期光纤光栅，其在1380nm附近谐振峰深度达到近-30dB。2006年,该团队又使用800nm飞秒激光器刻写得到长周期光纤光栅，谐振峰深度约为-14dB。2005年，Kalachev等人使用264nm飞秒激光器在载氢后的普通单模光纤中刻写得到谐振峰深度为-25dB的长周期光纤光栅，谐振波长为1500nm。2006年南开大学N.Zhang等人利用800nm飞秒激光在SMF-28e锗硅光纤内成功写入了强度为8dB的LFBG，但是其透射光谱只有一个波长在附近的谐振主峰，且光谱后向反射损耗较大。2006年，B.Gilberto等人首次用264nm飞秒激光逐点扫描光子晶体光纤写出强度达20dB的长周期光纤光栅，谐振波长出现在1500-1600nm范围。2009年香港理工S J Liu等人将波长800nm，重频1kHz的脉冲激光通过显微镜聚焦，在SMF-28e光纤上实现了线宽小于10nm，谐振深度为15dB的LPFG；2010年该团队提出了一种利用飞秒激光在光子晶体光纤上写制结构型长周期光纤光栅的方法，获得了谐振波长为1550nm的透射峰。LPFG的栅区长度只有4mm，光栅谐振强度大于20dB，器温度和拉伸应变灵敏系数分别为7.81pm/℃，-1.91pm/με。

因此，需要一种基于飞秒激光直写技术制备长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法，利用马赫曾德透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在细芯光纤上采用飞秒激光直写的方法刻写长周期光纤光栅(LPFG)；

步骤二：利用刻有LPFG的细芯光纤与普通单模光纤(SMF-28E)熔接构成的马赫曾德梳状滤波结构对LPFG进行调制；

步骤三：得到马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系，马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，从而得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵；

步骤四：通过光谱仪检测细芯光纤马赫曾德透射谱谐振峰的波长变化值△λ和强度变化值△P，带入步骤三的变化矩阵中，得出环境温度和应变的改变情况。

步骤一中，所述采用飞秒激光直写的方法具体步骤为：所述激光器产生的飞秒激光经过光路调整后，进入高精度加工平台，通过控制平台中的光开关，对飞秒激光进行脉冲调制。其中，所述LPFG直写系统包括飞秒激光器、高精度加工平台、光谱仪、宽带光源。

优选地，所述细芯光纤的芯径尺寸为5/130微米。

优选地，所述LPFG的透射波长在1.5微米波段。

优选地，所述普通单模光纤(SMF-28E)的芯径尺寸为9/125微米。

优选地，所述宽带光源波段为1500～1620nm。

步骤二中，所述刻有LPFG的细芯光纤两端与芯径较粗的单模光纤(SMF-28E)熔接，形成马赫曾德结构，所述马赫-曾德梳状滤波器的梳状谱中，相邻峰值的波长间隔与中心波长、细芯光纤长度和纤芯与包层的折射率差有关。当中心波长一定时，相邻峰值的波长间隔是细芯光纤长度和纤芯与包层间折射率差的函数。

步骤三中，当环境温度或者应变发生改变，光栅周期、长度和纤芯与包层传导模的有效折射率也会发生改变，透射光谱的形状与强度分布也随之改变。马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系。

Δλ＝K₁₁ΔT+K₁₂Δε (8)

其中K₁₁为温度灵敏度系数，K₁₂为应变灵敏度系数。马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，可以表示为：

ΔP＝K₂₁ΔT+K₂₂Δε (9)

其中，K₂₁为温度灵敏度系数，K₂₂为应变灵敏度系数，因此由公式(8)和(9)可以得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵：

通过光谱仪检测细芯光纤马赫曾德透射谱谐振峰的波长变化值△λ和强度变化值△P，代入公式(10)就可得出环境温度和应变的改变情况。

步骤四中，将SMF-28E单模光纤输出端与用于观察透射谱的光谱仪连接，能够对LPFG刻写状态进行实时监测，其中LPFG只存在透射谱。

本发明利用马赫曾德透射光谱对长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，从而实现温度与应变两个参数的区分测量。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出LPFG直写系统的实验装置图，其中793nm光纤激光和掺铥光纤(TDF)通过波分复用器(WDM)连接产生宽带光源。

图2示意性示出马赫曾德结构对LPFG进行调制原理图，其中中间部分示意为细芯光纤，两端示意为普通单模光纤；

图3为LPFG的透射光谱图；

图4为马赫曾德光谱曲线与长周期光纤光栅光谱叠加产生的干涉图；

图5为LPFG波长随温度的变化曲线图；

图6为LPFG强度随温度的变化曲线图；

图7为对LPFG施加应力时，LPFG波长和强度随应变的变化曲线图；

图8为对TCL施加应力时，LPFG波长和强度随应变的变化曲线图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

一种基于长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在细芯光纤上采用飞秒激光直写的方法刻写长周期光纤光栅(LPFG)；

步骤二：利用刻有LPFG的细芯光纤与普通单模光纤(SMF-28E)5熔接构成的马赫曾德梳状滤波结构对LPFG进行调制；

步骤三：得到马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系，马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，从而得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵；

步骤四：通过光谱仪检测细芯光纤马赫曾德透射谱谐振峰的波长变化值△λ和强度变化值△P，带入步骤三的变化矩阵中，得出环境温度和应变的改变情况。

参见图1，图1为LPFG直写系统的实验装置图,其中793nm光纤激光101和掺铥光纤(TDF)102通过波分复用器(WDM)103连接产生宽带光源1。所述LPFG直写系统包括飞秒激光器2、高精度加工平台3、光谱仪4、宽带光源1。具体地，所述飞秒激光器2产生的飞秒激光经过光路调整后，进入高精度加工平台3，通过控制平台中的光开关，对飞秒激光进行脉冲调制。将SMF单模光纤5输出端与用于观察透射谱的光谱仪4连接，能够对LPFG刻写状态进行实时监测，其中LPFG只存在透射谱。

优选地，所述细芯光纤的芯径尺寸为5/130微米。

优选地，所述LPFG的透射波长在1.5微米波段。

优选地，所述普通单模光纤(SMF-28E)5的芯径尺寸为9/125微米。

优选地，所述宽带光源1波段为1500～1620nm。

参见图2-4，图2示意性示出马赫曾德结构对LPFG进行调制原理图，其中中间部分示意为细芯光纤，两端示意为普通单模光纤5，所述刻有LPFG的细芯光纤两端与芯径较粗的单模光纤(SMF-28E)5熔接，形成马赫曾德结构，马赫曾德梳状滤波结构将会对LPFG进行调制。

图3为LPFG的透射光谱图，图4为马赫曾德光谱曲线与长周期光纤光栅光谱叠加产生的干涉图。具体地，基于细芯光纤马赫-曾德干涉仪结构总光强I为

其中I₁、I₂和分别为细芯光纤中纤芯和包层的光强和相移差，且

其中，n₁和n₂分别为纤芯和包层的有效折射率，L₁和L₂分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有

由公式(1)和公式(3)可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

经过简化，公式(4)表示为

m＝LΔn/λ (5)

对公式(5)中λ进行求导可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式(7)可知，该马赫-曾德梳状滤波器的梳状谱中，相邻峰值的波长间隔与中心波长、细芯光纤长度和纤芯与包层的折射率差有关。当中心波长一定时，相邻峰值的波长间隔是细芯光纤长度和纤芯与包层间折射率差的函数。

本发明利用马赫曾德透射光谱对长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，从而实现温度与应变两个参数的区分测量。

下面通过实验对本发明提供的方法进行进行进一步验证。

首先进行温度实验：细芯光纤(TCF)和长周期光纤光栅(LPFG)处于同一温度环境下，实验中把LPFG和TCF放于温箱中，改变温箱温度，利用光谱仪4监测LPFG直写系统透射光谱的变化，其中选用掺铥光纤(TDF)作为本实验中的细芯光纤(TCF)。

当温度升高，分别选取掺铥光纤(TDF)干涉谱中某一点和LPFG的波谷作为测试对象，绘制其温度变化曲线，如图5所示为LPFG波长随温度的变化曲线图，其中，在数据处理中，R平方(R^2)以为线性度，(R square)，值越靠近1，证明曲线线性度越好。由图可知，LPFG波长随温度的变化曲线线性度良好。随着温度升高LPFG的波长向长波方向移动，波长变化对温度的灵敏度系数可求出，由于对LPFG进行了温度曾敏，因此其温度的灵敏度系数要高于常规LPFG，而LPFG的强度对温度变化较小，随着温度升高，其强度变化曲线如图6所示，图6为LPFG强度随温度的变化曲线图，由图可知，LPFG强度随温度的变化曲线线性度良好，强度变化对温度的灵敏度系数可以求出。

然后进行应变测试实验：先对LPFG施加应力。由于细芯光纤(TCF)对周围环境比较敏感，因此应变实验中需要将TCF固定在光学平台上，用玻璃壳罩住。将悬臂梁一端固定在光学平台上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量。

随着应力的增加，LPFG的谐振峰向短波方向移动，LPFG强度和波长随应力的变化曲线如图7所示，图7为LPFG强度随应变的变化曲线图，由图可知，LPFG强度和波长随应变的变化曲线线性度良好，波长变化对应变的灵敏度可求出，验证在应变实验中波长几乎不发生漂移。由于LPFG的长度远远小于TCF长度，LPFG自身对应变的灵敏度小于TCF对应变的灵敏度，强度变化对应变的灵敏度也可求。

再对TCF施加应力。同上，随着应力增加，LPFG处波长向长波方向移动，LPFG强度和波长随应力的变化曲线如图8所示，由图可知，LPFG强度和波长随应力的变化曲线线性度良好，波长变化对应变灵敏度以及强度变化对应变灵敏度可求出。根据温度和应变实验中得到的相关灵敏度系数，代入公式(10)中得到LPFG的温度与应变传感矩阵，以及TCF的温度与应变传感矩阵，由这两个矩阵可以判断出是LPFG还是TCF受到的应变。

利用TCF透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量。由于TCF受到轴向应力时，谐振峰波长变化，而LPFG受到轴向应力时，谐振峰强度变化，基于此可区分出应力施加位置。

本发明提供一种基于飞秒激光直写技术制备长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法，利用马赫曾德透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。