一种飞秒激光直写FBG结合光纤微球的温度及气压测试方法

本发明属于光纤传感器件领域，特别涉及一种飞秒激光直写fbg结合光纤微球的温度及气压测试方法。

背景技术：

光纤传感器具有诸多优良特性，可实现复杂环境下的测量工作具有非常广泛的应用价值。它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等特点，且光纤尺寸微小，具有良好的光传输性能。在光纤布拉格光栅(fiberbragggrating,fbg)是常见的传感器件，具有结构简单、体积小、动态范围大、灵敏度高等优势，在航空航天、桥梁水利、周界安防、生物医学等重要领域中受到广泛关注。fbg是一种在纤芯内形成的空间相位周期性分布的栅类结构，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。当外界温度变化时，光纤材料的热胀冷缩会影响栅类结构之间的相对位移，从而使得反射波长产生漂移。通过解调波长漂移的范围，可以直观计算出外界温度的变化。

然而，如何改变传统光纤fbg传感器单点检测的局限性、扩展检测对象范围，是光纤传感器的发展方向。普通光纤fbg传感器为圆柱型结构，无法直接对待测环境的压强进行检测。通过化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构，外界气压的变化作用于球体，使得纤芯中传播的光在两个反射面间的光程差产生变化。通过光纤微球干涉条纹的疏密变化，即可实现外界气压的传感。使用飞秒激光直写制备fbg，并采用化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构，将两种光纤结构结合进行测量，避免多参数测量时的交叉干扰，实现温度和气压的双参数测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种飞秒激光直写fbg结合光纤微球的温度及气压测试方法，本发明采用全光纤式结构，可避免电磁干扰对检测结果的影响。使用飞秒激光制备的fbg可以耐受高温，使用化学腐蚀结合电弧放电制备的光纤微球结构可以实现气压传感，因此该结构可以扩展传感参数，同时实现温度与气压的测量。该传感器可靠性高，使用时只需将传感器所在部分置于待测环境中，另一端连接光谱仪即可完成测试系统的实时双参数测量，增加装置的适用性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种飞秒激光直写fbg结合光纤微球制备方法，所述方法包括以下步骤：

(a)飞秒激光制备布拉格光纤光栅，步骤a1、将smf-28e光纤置于三维移动平台上，保证视野清晰；步骤a2、将飞秒激光光斑聚焦至所述smf-28e光纤的纤芯上，采用直写方式在所述纤芯区域制备布拉格光纤光栅；

(b)化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构，步骤b1、将单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平，置于氢氟酸溶液中进行端面腐蚀；步骤b2、将腐蚀后的光纤与普通切平光纤置入熔接机内，采用纤芯对准方式，更改放电量与放电时间，完成光纤微球结构制备；

(c)制备光纤fbg结合微球结构，将所述飞秒激光直写布拉格光纤光栅与所述光纤微球结构通过熔接机高温电弧放电进行级联，制备光纤传感器。

优选的，所述氢氟酸溶液浓度为5％-40％。

一种飞秒激光直写fbg结合光纤微球的温度测试方法，所述方法包括以下步骤：步骤301、将光纤传感器放置于加热台表面，所述光纤传感器通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连；步骤302、改变所述加热台温度，对所述光纤传感器放进行温度传感测试，通过所述光纤环行器使用光纤fbg的反射干涉光谱传输至所述光纤传感分析仪形成反射光谱谱线。

一种飞秒激光直写fbg结合光纤微球的气压测试方法，所述方法包括以下步骤：步骤401、将光纤传感器放置于真空箱内，所述光纤传感器通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连；步骤402、改变所述真空箱内环境气压，对所述光纤传感器放进行气压传感测试，通过所述光纤环行器使用光纤fbg的反射干涉光谱传输至所述光纤传感分析仪形成反射光谱谱线。

优选的，所述光源采用波段范围为1520-1610nm的ase光源。

优选地，当外界温度发生变化，所述反射光谱谱线会发生漂移。

优选的，当外界气压发生变化，所述反射光谱谱线会发生漂移。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所提供的技术方法制作的飞秒激光直写fbg结合光纤微球的温度及气压测试方法，采用全光纤式结构，可避免电磁干扰对检测结果的影响。使用飞秒激光制备的fbg可以耐受高温，使用化学腐蚀结合电弧放电制备的光纤微球结构可以实现气压传感，因此该结构可以扩展传感参数，同时实现温度与气压的测量。该传感器可靠性高，使用时只需将传感器所在部分置于待测环境中，另一端连接光谱仪即可完成测试系统的实时双参数测量。

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示意性示出了本发明飞秒激光制备fbg加工原理示意图；

图2示意性示出了本发明光纤fbg结构反射光谱示意图；

图3示意性示出了本发明化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构示意图；

图4示意性示出了本发明光纤微球结构反射光谱示意图；

图5示意性示出了本发明fbg与光纤微球级联结构示意图；

图6示意性示出了本发明光纤传感器反射光谱示意图；

图7示意性示出了本发明光纤传感器温度传感测试系统示意图；

图8示意性示出了本发明光纤传感器温度测试光谱示意图。

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。

本发明涉及飞秒激光直写布拉格光纤光栅(fiberbragggrating,fbg)结合光纤微球的温度及气压测试方法。该传感器主要由飞秒激光制备的fbg和化学腐蚀结合电弧放电制备的光纤微球结构组成，可实现温度和气压的同时测量。飞秒激光制备fbg的方法如下：将smf-28e光纤置于三维移动平台上，保证视野清晰，将飞秒激光光斑聚焦至纤芯，采用直写方式在纤芯区域制备fbg。化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构的方法步骤如下：将单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平，置于浓度为5％-40％的氢氟酸溶液中进行端面腐蚀；将腐蚀后的光纤与普通切平光纤置入熔接机内，采用纤芯对准方式，更改放电量与放电时间，完成光纤微球结构制作。采用本发明提供的技术方案制作的飞秒激光直写fbg结合光纤微球温度气压传感器为全光纤结构，可避免电磁干扰，耐高温，可实现温度和折射率的同时测量。同时，其结构及制作工艺简单，可靠性好、灵敏度高。

本文提供了一种飞秒激光直写布拉格光纤光栅(fiberbragggrating,fbg)结合光纤微球的温度及气压测试方法，本方法通过飞秒激光直写制备fbg，并采用化学腐蚀结合电弧放电方法制备光纤微球结构。

为达到上述所列目的，本发明采用的技术方案如下：

1、飞秒激光制备fbg

基于飞秒激光制备fbg加工原理图如图1所示，具体步骤为：将将smf-28e光纤置于三维移动平台上，保证视野清晰，将飞秒激光光斑聚焦至纤芯，采用直写方式在纤芯区域制备fbg。光纤fbg结构反射光谱如图2所示。

2、化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构

一种化学腐蚀结合电弧放电制备光纤微球结构方法如图3所示，其步骤为：首先，将单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平，置于浓度为5％-40％的氢氟酸溶液中进行端面腐蚀；其次，将腐蚀后的光纤与普通切平光纤置入熔接机内，采用纤芯对准方式，更改放电量与放电时间，完成光纤微球结构制作。光纤微球结构的反射光谱如图4所示。

3、光纤fbg结合微球结构制备光纤传感器

将飞秒激光直写fbg与光纤微球结构通过熔接机高温电弧放电进行级联，实现传感器制备，其结构示意图如图5所示，反射光谱如图6所示。该传感器结合了光纤fbg与光纤微球结构的光谱特性，能在不同波长位置实现不同待测参数的实时测量与监测。

本发明涉及的飞秒激光直写fbg结合光纤微球的温度与气压测试方法如图7所示。光纤传感器置于加热台表面或真空箱内，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连。光源采用波段范围为1520-1610nm的ase光源，光谱分析设备使用了yokogawa公司生产的光谱分析仪，在本实验中进行反射光谱的采集；光纤环行器使用光纤fbg的反射干涉光谱传输至光纤传感分析仪。光纤传感器置于加热台表面以改变其温度高低，或置于真空箱内以改变其环境气压，进行温度或气压传感测试。

实验中的反射光谱如图8所示。当外界温度或气压发生变化，反射光谱谱线会发生漂移，记录某特征峰在不同温度或气压下对应的波长值即可实现对该双参数的高精度测量。

本发明的有益效果：本发明所提供的技术方法制作的飞秒激光直写fbg结合光纤微球的温度及气压测试方法，采用全光纤式结构，可避免电磁干扰对检测结果的影响。使用飞秒激光制备的fbg可以耐受高温，使用化学腐蚀结合电弧放电制备的光纤微球结构可以实现气压传感，因此该结构可以扩展传感参数，同时实现温度与气压的测量。该传感器可靠性高，使用时只需将传感器所在部分置于待测环境中，另一端连接光谱仪即可完成测试系统的实时双参数测量。

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。