一种啁啾光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪弯曲传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种啁啾光纤布拉格光栅法布里

【技术实现步骤摘要】
一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于光纤法布里
‑
珀罗干涉仪传感器
，具体涉及一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光纤传感器具有体积小、质量轻、几何结构具有可调性，耐高温，抗电磁干扰，波分复用，可适用于远距离传输等优势，现已被应用在航空航天，桥梁隧道，输电线路，地下油井和医学传感等领域。光纤干涉仪传感器由于制备工艺简单，器件成本低而在近年来发展迅速。光纤干涉仪利用光纤受外界物理场的扰动如弯曲等使在其内部传输的光波相位或能量等参数发生变化,通过测量响应的光波参数就可以获得外界物理场的变化情况。与其它类型的光纤传感器相比,光纤干涉仪传感器由于采用了干涉技术,具有较高的检测灵敏度,且探头形式灵活多样,可应用于不同的测量环境,响应速度较快。光纤干涉仪主要有法布里
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珀罗(FP)干涉仪、迈克尔逊Michelson)干涉仪、马赫
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曾德尔(MZ)干涉仪、和萨格纳克(Sagnac)干涉仪,相比于后三种干涉仪,法布里
‑
珀罗干涉仪的结构简单,制备方法多样,其应用也更为广泛。
[0003]光纤弯曲传感器在结构健康检测、航空航天和机器人技术等许多场景中都有广泛的应用。目前，大多数光纤弯曲传感器由于其对称的结构难以感知不同的弯曲方向，且由于光纤的热光效应，在光纤的弯曲传感测量中易受温度带来的影响，温度交叉敏感度较高，影响曲率的精确测量。
[0004]因此，到目前为止，大多数报道的光纤弯曲传感器存在如易受温度交叉敏感影响，难以辨别弯曲方向的缺点。基于错位并行啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)构成的光纤法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器制备方法简单，可辨别弯曲方向且不受温度交叉敏感度的影响，可显著改善目前光纤弯曲传感器的传感性能。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种通过飞秒激光逐点直写法在单模光纤(SMF)上刻写一对错位并行的CFBG构成光纤法布里
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珀罗干涉仪的方法，通过该方法制备的啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器可辨别弯曲方向且不受温度交叉敏感影响；通过调控SMF纤芯内两个CFBG的前后错位距离，具有不同自由光谱区的啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪被制造出来，在约12nm带宽的CFBG反射谱上获得了若干个干涉波谷；干涉波谷能量强度与两个CFBG反射能量差相关，CFBG反射能量差越大，干涉波谷能量越高；CFBG反射能量差越小，干涉波谷能量越低；两个CFBG具有一定的初始反射能量差，当光纤发生弯曲时，纤芯两侧的CFBG反射能量发生了不同程度的损耗，这会导致两个CFBG反射的能量差变大或变小，通过测量任意波谷能量的变化大小和趋势，可计算出光纤弯曲的曲率和方向；在外界温度变化过程中，温度只能影响干涉波谷的波长，干涉仪的干涉波谷强
度不受影响，因此在曲率测量过程中，传感器不受温度交叉敏感影响。
[0006]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯两侧设有啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，所述啁啾光纤布拉格光栅所在平面平行于所述单模光纤纤芯的轴线，两个啁啾光纤布拉格光栅的周期和啁啾率相同，且两个啁啾光纤布拉格光栅之间具有一定的前后错位距离，两个啁啾光纤布拉格光栅反射的光在纤芯中传输，光栅反射的光的波长相同，其前后错位距离使两束反射光形成了光程差，最终产生了干涉现象，构成了光纤法布里
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珀罗干涉仪，光栅的前后错位距离即为干涉腔长；
[0008]该弯曲传感器的曲率测量方法如下：当光纤弯曲时，两个CFBG的反射能量发生不同程度的损耗，使两个CFBG的反射能量差发生变化，导致多个干涉波谷的能量强度变化；曲率半径与干涉仪的多个干涉波谷的能量强度相关；通过测量干涉波谷强度即可测出光纤弯曲曲率；
[0009]该弯曲传感器的光纤弯曲方向测量方法如下：当光纤向上/向下弯曲时，由于弯曲方向不同，两个CFBG的反射率发生了不同程度的损耗，具体来说，弯曲方向外侧的CFBG会比弯曲方向内侧的CFBG损失更多的能量，从而使干涉波谷的强度相应增大/减小；通过监测干涉波谷的强度变化趋势即可判断光纤弯曲方向。
[0010]进一步地，所述两个啁啾光纤布拉格光栅之间的前后错位距离为100μm
‑
1000μm，两个啁啾光纤布拉格光栅与纤芯的垂直距离为1μm
‑
4μm。
[0011]进一步地，所述两个啁啾光纤布拉格光栅的反射率分别为R1及R2，其中，R1>R2，范围为5％
‑
95％。
[0012]进一步地，所述啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器的曲率半径率测量范围为0m
‑1‑
20m
‑1。
[0013]第二方面，本专利技术还提供了一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0014]步骤一：待加工光纤的预处理；
[0015]首先截取一段一定长度的单模光纤，用光纤剥线钳去除待加工部位的光纤涂覆层，使光纤包层暴露在空气中；依次经过乙醇和去离子水对去除光纤包层的光纤擦拭和冲洗，使光纤表面无涂覆层残留，最后将光纤表面残留的液体吹干，待加工光纤预处理完成；
[0016]步骤二：通过飞秒激光在光纤纤芯刻写两个错位并行的CFBG以构成啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器；
[0017]首先，将待加工的光纤固定在三维位移平台上，并采用光纤夹具夹紧，使加工部位由镜油浸没以消除光纤圆柱形截面相差；飞秒激光放大器出射飞秒激光，激光在经过倍频晶体、扩束准直系统、二向色镜和油浸物镜后聚焦在光纤纤芯内，通过显微相机可观察激光聚焦位置，汞灯光源出射光线经过油浸物镜L3和二向色镜M2，到达CCD相机；后通过调整三维平台来改变激光聚焦位置，使其位于光纤纤芯一侧；随后，在软件中输入预先设置好的加工程序，控制三维位移平台进行变速运动，沿光纤轴向对其进行变速扫描加工以获得CFBG，关闭光闸；在完成第一个CFBG刻写过程后，将加工位置先移至原点，然后移至光纤纤芯另一侧，之后再沿光纤轴向移动一定距离；打开光闸，重复第一个CFBG的加工程序从而获得第二
个CFBG。
[0018]进一步地，步骤一中所述截取的单模光纤的长度为20cm
‑
80cm，去除光纤涂覆层长度为2cm
‑
5cm。
[0019]进一步地，步骤二所使用的飞秒激光的光源是由振荡级和放大级组成的中心波长为1030nm的高重复频率飞秒激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器，其特征在于，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯两侧设有啁啾光纤布拉格光栅CFBG，所述啁啾光纤布拉格光栅所在平面平行于所述单模光纤纤芯的轴线，两个啁啾光纤布拉格光栅的周期和啁啾率相同，且两个啁啾光纤布拉格光栅之间具有一定的前后错位距离，两个啁啾光纤布拉格光栅反射的光在纤芯中传输，光栅反射的光的波长相同，其前后错位距离使两束反射光形成了光程差，最终产生了干涉现象，构成了光纤法布里
‑
珀罗干涉仪，光栅的前后错位距离即为干涉腔长；该弯曲传感器的曲率测量方法如下：当光纤弯曲时，两个CFBG的反射能量发生不同程度的损耗，使两个CFBG的反射能量差发生变化，导致多个干涉波谷的能量强度变化；曲率半径与干涉仪的多个干涉波谷的能量强度相关；通过测量干涉波谷强度即可测出光纤弯曲曲率；该弯曲传感器的光纤弯曲方向测量方法如下：当光纤向上/向下弯曲时，由于弯曲方向不同，两个CFBG的反射率发生了不同程度的损耗，具体来说，弯曲方向外侧的CFBG会比弯曲方向内侧的CFBG损失更多的能量，从而使干涉波谷的强度相应增大/减小；通过监测干涉波谷的强度变化趋势即可判断光纤弯曲方向。2.如权利要求1所述的一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器，其特征在于，所述两个啁啾光纤布拉格光栅之间的前后错位距离为100μm
‑
1000μm，两个啁啾光纤布拉格光栅与纤芯的垂直距离为1μm
‑
4μm。3.如权利要求1所述的一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器，其特征在于，所述两个啁啾光纤布拉格光栅的反射率分别为R1及R2，其中，R1>R2，范围为5％
‑
95％。4.如权利要求1所述的一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器，其特征在于，所述啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器的曲率半径率测量范围为0m
‑1‑
20m
‑1。5.如权利要求1所述的一种啁啾光纤布拉格光栅法布里
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珀罗干涉仪弯曲传感器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：待加工光纤的预处理；首先截取一段一定长度的单模光纤，用光纤剥线钳去除待加工部位的光纤涂覆层，使光纤包层暴露在空气中；依次经过乙醇和去离子水对去除光纤包层的光纤擦拭和冲洗，使光纤表面无涂覆层残留，最后将光纤表面残留的液体吹干，待加工光纤预处理完成；步骤二：通过飞秒激光在光纤纤芯刻写两个错位并行的CFBG以构成啁啾光纤布拉格光栅法布里
‑
珀罗干涉仪弯曲传感器；首先，将待加工的光纤固定在三维位移平台上，并采用光纤夹具夹紧，使加工部位由镜油浸没以消除光纤圆柱形截面相差；飞秒激光放大器出射飞秒激光，激光在经过倍频晶体、...

【专利技术属性】
技术研发人员：于永森，潘学鹏，国旗，陈岐岱，孙洪波，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：