塑料光纤长周期光栅的传感特性研究

- 1 -塑料光纤长周期光栅的传感特性研究1杨冬晓1,2，廖启亮1，陈松涛1，耿丹11浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州（310027） 2浙江大学太赫兹技术研究中心，浙江杭州（310027）E-mail ：yangdx@摘 要：本文对一种塑料光纤长周期光栅的传感特性进行了实验研究，测得的最大应变量为1.268%，应变灵敏度系数为1.144 pm/µε，温度灵敏度系数为56.23 pm/℃。

该种光纤光栅具有柔性好、调谐范围大等优点。

关键词：长周期光栅，塑料光纤, 温度传感，应变传感中图分类号：TP212.141. 引 言自从Vengsarkar A M 等人[1] 在光纤中成功地写入长周期光栅（LPG ）以来，有关LPG 的研究工作引起了广泛的关注，LPG 在带阻滤波器、宽带掺铒光纤放大器的增益平坦、全光开关和高灵敏度传感器等方面[2]有重要的应用。

同石英光纤相比，一般塑料光纤具有可挠性好、重量轻、应变范围大等优点，通过紫外激光在塑料光纤中写入的长周期光栅具有调谐范围大、灵敏度高等特点。

若对塑料光纤光栅施加一定的温度与应变，其产生的调谐范围可以覆盖光纤通信系统的波长范围。

本文对塑料光纤长周期光栅（PLPG ）的温度[3]与应变传感特性进行实验研究。

2. 基本原理LPG 是一种光纤光栅，光栅周期一般大于100 µm ，其基本的传光原理是将前向传输的纤芯模式耦合至前向传输的包层模式中，包层模能量很快消逝。

其相位匹配条件为()Λ−=)(cl )(co )(n m mn n n λ （1） 其中)(co m n 、)(cl n n 分别为m 阶纤芯模式和n 阶包层模式的有效折射率，)(mn λ为满足以上相位匹配条件的波长，Λ为光栅周期。

只有满足相位匹配条件，纤芯模式才能有效地从LPG 纤芯耦合到包层中的包层模，在透射谱上出现损耗谷。

LPG 的透射损耗谷要比布喇格光栅的透射损耗谷宽，而具有几个低阶模式的LPG 透射损耗谷比单模光纤LPG 的透射损耗谷宽。

当温度不变时，对式(1)两边关于应变求导，可以得到应变系数εK()()Λ−−Λ−==)(cl cl )(co co )(ε11d d n m mn n p n p K ελ （2） 式中p co 、p cl 分别为纤芯和包层的有效弹光系数。

当应变不变时，对(1)式两边关于温度求导，可以得到温度系数K T1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030335029）和国家自然科学基金（项目编号：60177025）资助- 2 -()()Λ+−Λ+==)(cl cl )(co co )(T d d n m mn n n T K ξαξαλ （3）式中α为热膨胀系数，ξco 和ξcl 分别为纤芯和包层的热光系数。

3. 实验系统实验中采用具有数个低阶模式的塑料光纤[4-5]，其纤芯材料为PMMA 和PBzMA ，摩尔比96.5:3.5，并掺2wt% TS 光敏材料；包层材料为PMMA 和PEMA ，摩尔比75:25；纤芯直径为20 µm ；用波长为325 nm 的激光和振幅掩膜板在该塑料光纤中写入长周期光栅[6]，光栅周期为400 µm 。

在实验系统中，采用基于图像识别和功率反馈的自制三维光纤自动耦合系统[7]，实现塑料光纤与标准单模石英光纤的耦合。

塑料光纤长周期光栅应变传感实验系统如图1所示，由于塑料光纤损耗较大并不能与光谱仪直接耦合，光源采用了可调谐激光器（波长调谐范围为1520~1570 nm ，波长调谐精度为0.01 nm ），检测采用了具有大光敏面直径（1 cm ）探头的光功率计，利用逐点扫描法测得PLPG 在特定应变下的透射谱，并利用光谱仪实时监测激光功率与波长的稳定情况。

通过精密移动平台调节应变量，并通过一对读数显微镜有效地测量实际的应变量。

图1 塑料光纤长周期光栅应变传感实验系统示意图在温度传感实验系统[8]中，利用半导体制冷器调节温控腔的温度，并利用散热风扇和散热片提高温度调节效率，同样采用逐点扫描法测得PLPG 在特定温度下的透射谱。

4. 实验结果与分析给定PLPG 的应变量和环境温度，测得激光波长从1570 nm 到1520 nm 之间各点光功率计的值，可以获得PLPG 的透射谱（图2）。

由于受激光器调谐波长范围的限制，只能测得透射谱中损耗谷的前半部分。

透射谱中损耗谷的前向转折点波长λknee 是PLPG 的一个特征波长，可以根据λknee 随应变量和环境温度的变化特性，确定应变和温度的变化情况。

- 3 -图2 实测的塑料光纤长周期光栅的典型透射谱保持测量方法和过程不变，分别测得PLPG 在温度基本不变的条件下，不同应变的透射谱及其前向转向点波长λknee ，由此可获得PLPG 的应变传感特性曲线，如图3所示。

图3 塑料光纤长周期光栅应变传感特性 图4 塑料光纤长周期光栅温度传感特性由图3可以看出，λknee 与ε有较好的线性，其线性拟合结果为λknee =1551.65+1.144ε，由此可以得到PLPG 的应变灵敏度约为1.144 pm/µε。

受可调谐激光器调谐波长范围的限制（最大值1570 nm ），实验中PLPG 测得的最大应变量为1.268%，相应的波长调谐量为17.9 nm 。

实验的塑料光纤光栅可以获得5%以上的应变量[4]，因此该PLPG 可达到57 nm 以上的波长调谐，大于石英光纤光栅的波长调谐范围。

实验测得不同温度T 与损耗谷前向转折点波长λknee 的关系（图4），其线性拟合结果为λknee =1545.65+0.05623∆T ，温度灵敏度系数为56.23 pm/℃，而石英Bragg光栅温度灵敏典型值1550155515601565157000.20.40.60.81 1.2 1.4拉伸应变(%)损耗谷前向转折点波长(n m)1546154715481549102030405060温度(摄氏度)损耗谷前向转折点波长(n m)-150-130-110-90-70-50152015301540155015601570波长(微米)光功率(-d B m )为13.7 pm/℃。

与应变传感一样，利用PLPG进行温度传感也有比较大的优势。

5.结论本文给出了一种塑料光纤长周期光栅应变与温度传感实验系统，并测量了塑料光纤长周期光栅的应变传感特性与温度传感特性，受激光器调谐波长范围的限制，测得的最大应变量为1.268%，应变灵敏度约为1.144 pm/µε，这种塑料光纤实际可获得5%以上的应变量，相当于57 nm的调谐波长，比石英光纤光栅的调谐范围大；实验测得的温度灵敏度系数为56.23 pm/℃，也比石英光纤光栅的温度灵敏度高。

6.致谢作者感谢高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030335029）和国家自然科学基金（项目编号：60177025）的资助，特别感谢香港理工大学纺织及制衣学系于建明博士和陶肖明教授提供的塑料光纤长周期光栅。

参考文献[1]Vengsarkar A M, Lemaire P J, Judkins J B, et al． Long-period fiber gratings as band-rejection filters［J］．Journal of Lightwave Technology, 1996, 14(1): 58~64．[2]Vasilev S A, Medvedkov O I, Korolev I G, et al． Fibre gratings and their applications［J］． QantumElectronics, 2005, 35 (12): 1085~1103．[3]Liu Q, Chiang K S, Lor K P． Condition for the realization of a temperature-insensitive long-periodwaveguide grating［J］．Optics Letters, 2006, 31 (18): 2716-2718．[4]Yang D X, Yu J M, Tao X M, et al． Structural and mechanical properties of polymeric optical fiber［J］．Materials Science & Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2004, 364(1~2): 256~259．[5]Tao X M, Yu J M, Yang D X．Optical fiber and optical fiber sensors［P］．United States Patent, 7027699,April 11, 2006．[6]Yu J M, Tao X M, Tam H Y, et al． Photosensitivity and grating development intrans-4-stilbenemethanol-doped poly (methyl methacrylate) materials［J］．Optics Communications, 2006, 265(1): 132~139．[7]陈松涛, 杨冬晓, 方培沈, 等．单模石英光纤与塑料光纤自动耦合系统［J］．半导体光电, 2006, 27(3):282~285．[8]王远生, 杨冬晓, 毕岗, 等．单个光纤布喇格光栅实现应变温度同时测量的研究［J］．传感技术学报,2004, 17(30): 449~452．- 4 -Study on Sensing Properties of Polymer Fiber Long-periodGratingYang Dongxiao1,2, Liao Qiliang1, Chen Songtao1, Geng Dan11Department of Information & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,PR China2Research Center for Terahertz Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, PR ChinaAbstractThe study on the sensing properties of polymer fiber long period gratings is reported. Experimental℃results indicate that a temperature sensitivity of 56.23 pm/ and a strain sensitivity of 1.144 pm/µεwith a strain range of 1.268% can be achieved. This polymer fiber long period grating has advantages of good flexibility and large tuning range.Keywords: long period grating, polymer fiber, temperature sensing, strain sensing作者简介：杨冬晓（1964-），男，博士，教授。