基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性_恽斌峰
基于光纤布拉格光栅的传感器研究进展
基于光纤布拉格光栅的传感器研究进展近年来，光纤布拉格光栅传感器在各种领域的应用越来越广泛，其研究也得到了快速发展。
光纤布拉格光栅传感器具有高分辨率、高精度、高灵敏度等优点，在机械结构、航空航天、生物医学等领域得到越来越多的应用。
本文将介绍光纤布拉格光栅传感器的基本原理、研究进展和应用领域。
一、光纤布拉格光栅传感器的基本原理光纤布拉格光栅传感器是一种基于光纤布拉格光栅原理实现的传感器。
它通过光纤布拉格光栅中的光反射和干涉效应来测量其物理量，如温度和应变等。
布拉格光栅一般指的是由一系列反射比随距离变化而周期性变化的分布式反射密度变化的结构。
其基本原理是：当入射光经过布拉格光栅时，会被反射，反射光经过延长光纤回到原点，与入射光干涉。
通过测量反射光的光谱，可以推断出光纤的物理量。
二、光纤布拉格光栅传感器的研究进展光纤布拉格光栅传感器是近年来研究的热点之一，其研究一直在快速发展。
下面介绍几项近年来的研究进展。
1. 高精度静态应变传感器静态应变传感器是光纤布拉格光栅应用的主要领域之一，其在结构健康监测、地震监测、油气管道检测等方面具有重要应用。
近年来，研究者们不断钻研，推广了各种新的算法和材料，进行了大量的实验研究和应用研究。
例如，高精度的静态应变传感器已经被广泛研究，其光谱的精度和分辨率可以达到±1pm和0.1pm。
2. 高温传感器光纤布拉格光栅传感器的应用范围在温度测量方面有很大的局限性，主要是由于光纤和腔体材料不能耐受高温。
近年来，研究者们提出了一些新的方法来解决这个问题，例如使用高温光纤和材料等。
此外，基于微纳米结构的光子晶体纳米线和纳米杆等光学元件也被应用于高温测量中，以实现更准确的测量。
3. 基于传感器网络的传感器近年来，随着物联网的建设，光纤布拉格光栅传感器被广泛应用于传感器网络中。
利用这种传感器网络，研究者们可以实现对物体的全方位实时监测，同时提高其响应时间和测量准确度。
此外，还可以通过传感器网络中的数据传输来进行远程实时监测，对人们的生产生活带来极大的帮助。
基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率
＊ Ｃ０ ］ ｐ０ ｚ ｒ ， ｇ ｔ ｏ ａｕ ｈ ｒ，Ｅ－ ａｉ ｇｕｏ ｍ ｌ： ｙａｎ Ｚ １ ６ ｃｒ ｇ ＠ ２ ．ｏ ｎ
—
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａ ｏｖ ｌ ｆｂ ｒ ｅ ｏｒ ｃ ｍｐｏ ｅ ｆ Ｍ ｕ ｔ ｎ ｅ ｉ ｅ ｓ ｎｓ ｏ ｓ ｄ ｏ ａ ｌｉｍｏｄ ｉ ｅ — ｉ ｌ ｏ ｅ ｉ ｒ Ｍ ｕ ｔ ｏ ｅ ｉ ｒ ｅ ｆｂ ｒ Ｓ ｎｇ ｅ ｍ ｄ ｆｂｅ — ｌｉｍ ｄ ｆｂｅ
文献标１ ２ ０． ９ １ ｏ ： ０ ３ ８ ／ Ｐ ． ０ ２ ０ ５ ０ ２
中 图分 类 号 ： ２ ３ ＴＮ ５
Ｓ ｍ ｕ ｔ ｎｅ ｕ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｏ ｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ ａ ｅ ｒ ｃ ｉ ｅ ｉ ｅ ｉ ｌａ ｏ ｓ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｆ ｔ ｍ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ｒ ｆ ａ ｔｖ ｎｄ ｘ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｔ ｕ ｔ ｒ ｏ ｂ ｎｅ ｔ ａ ｅ ｎ Ｍ Ｍ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｃ ｍ ｉ ｄ ｗｉｈ ＦＢＧ
第 ２ 卷 Ｏ
第 ５ 期
光 学 精 密 工 程
Ｏｐｔｃ ｎｄ Ｐｒ ｃｓｏ Ｅｎ ｎｅ ｒｎ ｉｓ ａ ｅ ｉｉｎ ｇｉ ｅ ｉ ｇ
Ｖｏ ． Ｏ Ｎｏ ５ １２ ．
Ｍａ． ｖ ２Ｏ１ ２
２１ ０ ２年 ５月
文章编号
１ ０ — ２ Ｘ（ ０ ２ ０ — ９ １０ ０ ４９ ４ ２ １ ）５０ ２—６
（ ＭＳ 结 构 传感 器 提 高 了 ５ ， 时 由于 Ｓ Ｓ ） 倍 同 ＭＦ中 的包 层 模 对 外 界 环 境 的 变 化 较 敏 感 ， ＭＳ 结 构 也 可 应 用 于其 他 传 该 Ｍ 感领域 。
基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性
第２６卷第７期２００６年７月光学学报ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶ０１．２６。
Ｎｏ．７Ｊｕｌｙ，２００６文章编号：０２５３—２２３９（２００６）０７—１０１３—３基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性＊恽斌峰陈娜崔一平’。
（东南大学电子工程系先进光子学中心，南京２１００９６）摘要：提出了基于光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）包层模式的折射率传感方案。
实验中，利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液，采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度，研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。
实验结果表明在１．３３００～１．４５８４的折射率范围内，包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大，在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度，最大达到了１７２ｎｍ／ｒｉｕ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｕｎｉｔ）。
而且，包层模谐振的光谱半峰全宽（约０．０７ｎｍ）仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的１／４，能够获得更好的传感精度。
关键词：光纤光学；折射率传感器；腐蚀；包层模中图分类号：ＴＮ２５３文献标识码：ＡＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘＳｅｎｓｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＣｌａｄｄｉｎｇＭｏｄｅＹｕｎＢｉｎｆｅｎｇＣｈｅｎＮａＣｕｉＹｉｐｉｎｇ（ＡｄｖａｎｃｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓＣｅｎｔｅｒ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｗｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｎｇｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｇｌｙｃｅｒｉｎａｑｕａｔｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｒｔｒａｔｉｏｎｓｕｓｅｄｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｎｇｍｅｄｉａ．ａｎｄｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＦＢＧｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙｅｔｃｈｉｎｇｔｈｅｆｉｂｅｒｗｉｔｈＨＦｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｔｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ．ＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｅｔｃｈｅｄＦＢＧｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｉｓｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｒａｎｇｅｏｆ１．３３００～１．４５８４·ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓｈｉｆｔｓｌｏｎｇｅｒｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘａｎｄａｈｉｇｈｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉＳａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｉＳｃｌｏｓｅｔｏｔｈａｔｏｆｆｉｂｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ’Ｓ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｒｅａｃｈｅｓ１７２ｎｍ／ｒｉｕ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｕｎｉｔ）．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｆｕｌｌ—ｗｉｄｔｈ—ａｔ－ｈａｌｆ—ｍａｘｉｍｕｍ（ＦＷＨＭ）ｏｆｒｅｓｏｎａｎｔｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｉＳ０．０７ｎｍ，ｗｈｉｃｈｉｓａｂｅｕｔ１／４ｏｆｔｈａｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅ，ｓ．Ｗｉｔｈｔｈｉｓｎａｒｒｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍ，ａｈｉｇｈｅｒｓｅｎｓｉｎｇｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ；ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｎｓｏｒ；ｅｔｃｈ；ｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅ１引言光纤布拉格光栅传感器是一种新颖的光纤传感器，作为波长编码型光纤传感器，它已经被广泛应用于应变、温度等物理量的传感测量‘１￣“。
腐蚀薄包层布拉格光纤光栅折射率传感研究
王旭东 等
Abstract
In this paper, the theory of refractive index sensing of etched thin-cladding optical fiber Bragg grating is analyzed, and the experimental study of refractive index measurement is carried out using the theory. Firstly, in the theory, the relationship between Bragg wavelength and fiber diameter is analyzed based on the three-layer structure model of the fiber, and the variation of Bragg wavelength with ambient refractive index is also calculated for different fiber diameters to obtain the refractive index response curves of thin-cladding fiber gratings with different diameters. The simulation results show that there is a nonlinear relationship between the Bragg wavelength and the change of the ambient refractive index. The smaller diameter of the fiber sensor has a higher sensitivity. In the refractive index range of 1.333~1.462, the sensitivity of the thin-cladding fiber grating refractive index sensor etched to the core is about 22 nm/RIU, which is theoretically the maximum sensitivity of this kind of sensor in the specific refractive index range. Then in the experiment, three thin-clad fiber grating refractive index sensors with different diameters (32 μm, 14 μm, 8.45 μm) are obtained by etching a Bragg fiber grating in three stages. The change of reflection spectrum during the etching process is recorded, and the refractive index sensing experiments are carried out respectively. The experimental results show that the average sensitivity of the sensor is 0.246 nm/RIU, 1.319 nm/RIU and 6.332 nm/RIU in .42789. Considering the spectral resolution of 0.02 nm, the calculated refractive index resolution is 0.08 RIU, 0.015 RIU and 0.00316 RIU. Finally, a new opinion is put forward for the slight difference between the theoretical and experimental results, that is, the theoretical model cannot predict the trend of red shift of Bragg wavelength.
光纤布拉格光栅湿度传感器研究
图 1 光纤 Bragg 光栅传感原理和结构 Fig. 1 Sensing principle and structure of FBG
dλB = dneff + dΛ
（3）
λB neff Λ
则由应变引起的周期的变化为
dΛ Λ
=ε
（4）
其中 ε 为轴向应变。 当光纤光栅受到应变作用时，由弹光效
应引起的有效折射率变化为
Y 为湿度。
由 弹 性 理 论 可 以 推 出 湿 膨 胀 系 数 为 [12]
乙 乙 β(Y,
T)=βM
1－ C0EFVF (EFVF/EMVM)
（8）
式中，βM、VM、EM 分别为湿敏材料的湿膨胀系数 、体 积 、弹 性 模
量；VF、EF 为光纤光栅的体积、 弹性模量；C0 为湿 敏 材 料 与 光
令
C1=1－
EF
r2F
EF r2F +EM(r2M
－r2F
)·C0，则
上
式
可
简
写
为
（10）
εM=βMC1ΔY
（11）
至此可以看出， 只要能够测出图 2 中光纤光栅的 Bragg 反射
波 长 的 漂 移 量 ，把 式 （6）和 （11）结 合 起 来 就 可 确 定 湿 度 的 影
响。 但 FBG 除对应力敏感外，对温度同样敏感，有必要对湿度
则可将上式简写为
ΔλB λB
=KMΔY+KTΔT
（17）
3.2 湿度传感的设计
由式（17）可以看出，温度和湿度作用于 FBG 引起的波长
漂移量是线性叠加的，为了得到湿度的精确传感，就须知道
FBG 对温度的响应。 为此设计在同一光纤上写入两段光栅并
布拉格光纤光栅基本原理
布拉格光纤光栅基本原理布拉格光纤光栅是一种基于光纤的光学器件，利用光纤中的光束与光栅结构之间的相互作用来实现光的调制和反射。
它是一种具有高稳定性和可调性的光学器件，广泛应用于光通信、光传感和光学仪器等领域。
布拉格光纤光栅的基本原理可以用以下几个方面来描述：1. 光纤中的折射率调制：布拉格光纤光栅是通过在光纤中引入周期性的折射率变化来实现的。
这种折射率变化可以通过光纤中的掺杂物或者局部拉伸等方式来实现。
光纤中的折射率调制会导致光的传播速度和传播方向的变化，从而实现光的调制和反射。
2. 光纤中的光栅结构：布拉格光纤光栅中的光栅结构是指在光纤中引入的周期性折射率变化。
这种折射率变化可以是周期性的，也可以是非周期性的。
光栅结构可以通过光纤中的掺杂物、光纤的拉伸或者光纤中的微结构等方式来实现。
光栅结构的周期和折射率变化程度决定了光纤中的光波与光栅之间的相互作用。
3. 光的反射与衍射：当光波传播到光纤中的光栅结构处时，会发生反射和衍射现象。
光的反射现象是指光波在光栅结构上发生反射，从而改变传播方向。
光的衍射现象是指光波在光栅结构上发生衍射，从而形成特定的光谱分布。
光的反射和衍射现象是布拉格光纤光栅实现光的调制和反射的基础。
4. 光的调制与解调：布拉格光纤光栅可以通过调制光纤中的折射率和改变光栅的周期来实现光的调制。
当光波传播到光纤中的光栅结构处时，光波会发生反射和衍射，从而改变光波的传播方向和波长。
利用这种反射和衍射的效应，可以实现对光波的调制和解调。
通过改变光栅的周期和折射率变化程度，可以调节光波的反射和衍射效应，从而实现光的调制和解调。
布拉格光纤光栅作为一种重要的光学器件，具有许多优点。
首先，布拉格光纤光栅具有高稳定性和可调性。
由于光纤中的光栅结构是通过掺杂物或局部拉伸等方式实现的，所以光纤的折射率变化和光栅的周期可以根据需要进行调节。
其次，布拉格光纤光栅具有宽带宽和低插入损耗的特点。
光纤中的折射率变化和光栅的周期可以设计成宽带宽的结构，从而实现对多个波长的光波的调制和反射。
光纤布拉格光栅折射率传感器[实用新型专利]
![光纤布拉格光栅折射率传感器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/94fd1fdb3968011ca20091b0.png)
专利名称：光纤布拉格光栅折射率传感器专利类型：实用新型专利
发明人：蒙红云,黄旭光
申请号：CN201020209470.6
申请日：20100531
公开号：CN201724901U
公开日：
20110126
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了光纤布拉格光栅折射率传感器，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、传输光纤(3)、光纤传感头(4)和光谱仪(5)，所述宽带光源(1)连接到光纤耦合器(2)的输入端，光纤耦合器(2)的一输出端通过传输光纤(3)与到光纤传感头(4)连接，光纤耦合器(2)的另一输出端与光谱仪(5)连接，光纤传感头(4)反射的光通过光纤耦合器(2)传输到光谱仪(5)，光谱仪(5)与计算机(6)通信连接；所述光纤传感头(4)为带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅。
本传感器可实现折射率测量，也可以实现折射率和温度的同时测量，具有实时在线和远程检测的能力，测量范围大、灵敏度高、稳定性强、操作方便。
申请人：华南师范大学
地址：510275 广东省广州市天河区中山大道西55号
国籍：CN
代理机构：广州粤高专利商标代理有限公司
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光纤布拉格光栅的折射率传感研究
光纤布拉格光栅的折射率传感研究李建鹏;曾晓琳;官静雯;康佳静;孙秀晶;刘晓昱【摘要】The refractive index sensor is prepared by using fiber Bragg grating,and the relationship between the sensor sensitivity of fiber Bragg grating refractive index and cladding diameter is mainly studied.According to theoretical a-nalysis,when the grating cladding diameter is smaller,the effect of the surrounding refractive index change on Bragg wavelength shift is greater,and this makes the change of LD optical power reflected by the fiber Bragg grating more ob-vious.Hydrofluoric acid solution is adopted to corrode the grating cladding,and then the refractive index sensor of fiber Bragg grating with different cladding diameters can be acquired.The experimental results show that the grating sensing refractive index range will be narrowed when cladding diameter is reduced,but its refractive index sensing sensitivity will increase.%采用光纤布拉格光栅制备折射率传感器，研究光纤光栅的折射率传感灵敏度与其包层直径之间的关系。
一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统[发明专利]
![一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f3b197830129bd64783e0912a216147917117ed4.png)
专利名称：一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统
专利类型：发明专利
发明人：魏鹤鸣,车嘉炜,张登伟,龚哲,庞拂飞,王廷云
申请号：CN202111445213.1
申请日：20211130
公开号：CN114111909A
公开日：
20220301
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统，属于光纤光学测量技术领域，包括光电转换装置、电源驱动模块、信号采集模块和信号解调模块；光电转换装置包括功率可调的宽带光源、光纤环形器、1*N路耦合器、光纤布拉格光栅和光电转换模块；电源驱动模块用于为光电转换模块供电，通过调整供电频率实现静、动态测量功能；信号采集模块用于采集光电转换模块的输出信号；信号解调模块用于对采集信号进行解调，获得各路光纤布拉格光栅的中心波长，通过中心波长与温度/应变的对应关系，实时获得待测物体表面不同位置的温度和应力变化。
本发明能够实现对温度和应力的一体式测量，并对静、动态光谱均可测量。
申请人：上海大学,浙江大学
地址：200444 上海市宝山区上大路99号
国籍：CN
代理机构：杭州求是专利事务所有限公司
代理人：郑海峰
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基于布拉格光纤光栅传感技术的复合材料杆塔老化寿命预测
基于布拉格光纤光栅传感技术的复合材料杆塔老化寿命预测李姗姗;王力农;方雅琪;郭真萍;宋斌【摘要】5 000 h multi-factor aging test data show that the cyclic loadingof aging factor gave rise to certain rules of daily strain curve at each fiber monitoring sites, showing an overall shape of the two peaks and two valleys. The characteristic quantities KP1 (first local peak) gradually decreased with the aging process. In this paper, with the aid of Matlab software, the tendency of strain was predicted by using BP neural network and gray model, and priority was given to the TD21538 channel for its larger load. The results show that: take 60% KP1 as failure condition, the equivalent accelerated aging life of composite material tower is 9 500 h. As the consideration of extremely serious test condition, calculated life is far less than the actual service life, since the service life of composite material is much longer than the test time of 5 000 h, it shows high ageing-resistant performance of poly urethane composite material.%5000 h多因子老化实验数据表明,老化因子的循环施加导致各光纤监测点的日应变波形具有一定规律,总体呈现两峰两谷的形状,特征量第一个局部峰值 KP1随着老化过程逐渐减小.该文借助Matlab软件预测应变的变化趋势,采用BP神经网络和灰色模型对应变数据进行建模分析,并优先考虑载荷较大的TD21538通道.结果表明,以KP1降为初始值的60%作为失效条件,复合材料杆塔材料的等效加速老化寿命为9500 h.因实验考虑的是极端恶化的条件,计算寿命远小于实际使用寿命,该材料的使用寿命远大于试验时间5000 h,说明聚氨酯复合材料具备优异的耐老化性能.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)001【总页数】8页(P217-224)【关键词】多因子老化;光纤布拉格光栅;BP神经网络;灰色模型;聚氨酯复合材料【作者】李姗姗;王力农;方雅琪;郭真萍;宋斌【作者单位】武汉大学电气工程学院武汉 430072;武汉大学电气工程学院武汉430072;武汉大学电气工程学院武汉 430072;国网湖北省电力公司荆州供电公司荆州 434007;武汉大学电气工程学院武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】TM215高压线路中常采用钢材作为杆塔材料，为避免钢材和输电线等带电体接触，必须保持足够安全距离，输电走廊难以压缩。
基于倾斜布拉格光纤光栅的高灵敏度折射率传感器
基于倾斜布拉格光纤光栅的高灵敏度折射率传感器石磊;刘云启;宋红亮;邹芳;王廷云【摘要】制备了不同倾斜角度的倾斜布拉格光纤光栅,用于测量周围环境的折射率.当环境折射率增加时,高阶包层模谐振峰会逐渐消失,即将逐渐消失的高阶包层模谐振峰的波长会随环境折射率的增大而线性增大.测得的折射率灵敏度在500nm/RIU以上.通过选择适当的倾斜角度,制得的光纤传感器可以满足不同范围的折射率测量.%We demonstrate fabrication of tilted fiber Bragg gratings (TFBGs) with dif-ferent tilt angles for the measurement of surrounding refractive index (SRI). High or-der cladding modes has been found to disappear gradually, with their resonance wave-length linearly increasing as SRI increases. The measured index sensitivity is higher than 500nm/RIU.By optimizing the tilt angle of the grating,the proposed optical fiber sensor can be used for SRI measurements in different index range.【期刊名称】《上海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(023)006【总页数】6页(P859-864)【关键词】倾斜布拉格光纤光栅;环境折射率;光纤传感器【作者】石磊;刘云启;宋红亮;邹芳;王廷云【作者单位】上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444;上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444【正文语种】中文【中图分类】TN253光纤传感器已经被广泛地应用于生物测量、环境探测等领域.光纤传感器具有很多优点,包括体积小、重量轻、在危险环境下操作安全、抗电磁干扰性强、具有较高的灵敏度[1-13].倾斜布拉格光纤光栅(tilted f i ber Bragg grating,TFBG)可以实现包层模与纤芯模的耦合,在布拉格反射峰短波方向会出现一系列的包层模损耗峰,而包层模对环境折射率敏感.TFBG包层模谐振峰的强度和波长位置对外界环境折射率均具有高敏感性的特点,因此受到了越来越多的关注和研究.Albert等[1]证明了TFBG可以用于高分辨率的折射率测量、表面等离子共振的应用以及多参量的物理探测(应变、振动、曲率和温度).Laあont等[2]提出了一种根据光栅光谱的上下包络曲线准确测量折射率的方法.Miao等[3]根据TFBG透射光谱的功率进行了折射率传感测量.另外,基于细芯光纤的TFBG[4]或者TFBG与啁啾光纤光栅级联[5]都可以实现反射式传感测量.本工作基于不同的光敏光纤制备了不同倾斜角度的TFBG,并通过实验研究了TFBG 的折射率特性.结果发现,随着环境折射率的增加,高阶包层模谐振峰会逐渐消失,且短波方向即将消失的高阶包层模谐振峰(从短波方向开始,取第一个包层模透射峰的对比度与其前一个透射峰对比度相差较大的透射峰,例如,对比度差大于5 dB)的波长随着环境折射率的增大而线性增大.1 原理与普通的光纤布拉格光栅(f i ber Bragg grating,FBG)不同,TFBG的光栅与纤芯的轴向存在一定的夹角θ,如图1所示.相位匹配条件为式中,n0为纤芯的有效折射率,Λ为沿纤芯方向栅格的周期,θ为栅面的倾斜角为沿纤芯方向的有效栅格周期,ni为第i阶包层模的有效折射率.因此,在TFBG的透射谱中除了布拉格谐振峰外,还存在一系列位于布拉格谐振峰左侧的包层模谐振峰.图1 TFBG光栅示意图Fig.1 Schematic diagram of the TFBG在单模光纤中,栅面与纤芯轴向存在的夹角加强了前向传输的纤芯模与后向传输的包层模的耦合,而减小了与后向传输的纤芯模的耦合.在这个条件下,包层模谐振峰的波长位置不仅与纤芯模的有效折射率有关,还与包层模有效折射率有关.包层模的有效折射率依赖于包层折射率和围绕着包层外界介质的折射率,因此包层模对环境折射率敏感.当外界环境折射率接近导模的有效折射率时,导模的谐振峰首先会发生波长漂移,而当环境折射率达到有效折射率时,谐振峰就停止漂移,但对比度开始减小直至接近于0[1].因此,通过检测包层模波长的变化可以探测环境的折射率.2 实验结果与讨论利用193 nm的ArF准分子激光器对Fibercore PS 1250/1500光纤(纤芯直径8.9µm、包层直径125µm、截止波长1 260 nm、硼锗共掺光敏光纤)与Nufern GF1AA光纤(纤芯直径8.5µm、包层直径125µm、截止波长1 350 nm、高掺锗光敏光纤)进行曝光.用Photon Kinetics公司生产的S14折射率分析仪测得Nufern GF1AA光纤的折射率分布,结果如图2所示.采用相位掩膜法制备不同倾斜角的TFBG,其中相位掩模板的周期为1 071.93 nm,制备光栅的有效长度为1.5 cm. 图2 GF1AA光纤折射率分布Fig.2 Refractive index distribution of GF1AA f i ber采用波长分辨率为0.02 nm的AQ6370B光谱仪对TFBG的透射谱进行检测.图3为在GF1AA光纤和PS 1250/1500光纤上刻写角度为2°的TFBG的透射谱.由图3可以看出,在两个透射谱中都有两套包层模谐振峰.GF1AA光纤是一种抑制包层模的光敏光纤,在光纤的纤芯和包层之间多了一层抑制包层.在光栅倾斜时,GF1AA光纤的纤芯模和一个与LP11纤芯模具有相似模式分布的包层模发生强耦合,产生幻影模.因此,只有刻写在GF1AA光纤上的TFBG透射谱出现了幻影模[6].另外,GF1AA光纤的TFBG的最大光栅对比度仅约为15 dB,而PS 1250/1500光纤可达到30 dB左右,这主要是因为PS 1250/1500光纤具有更高的光敏性.图3 两种光敏光纤倾斜角为2°的TFBG的透射谱Fig.3 Transmission spectra of the TFBG with a tilt angle of 2°倾斜布拉格光纤光栅的倾角越大,越容易激发短波方向的高阶模.因此,随着倾角的增大,短波方向高阶模的耦合效率逐渐增大,而长波方向低阶模的耦合效率越来越小[6].图4为PS 1250/1500光纤倾斜角为2°,4°,6°和8°的TFBG的透射谱.从图4可以看出:随着角度的增加,低阶包层模谐振峰逐渐消失,而高阶包层模却越来越明显,最后布拉格谐振峰消失,而且光栅写制效率会越来越低;光栅写入倾斜角度增大时,其布拉格谐振波长会向长波方向漂移,因此其透射谱整体向长波方向漂移,但是透射谱中高对比度的透射峰却越来越集中于短波区域.图4 PS 1250/1500光纤倾斜角不同时TFBG的透射谱Fig.4 Transmission spectra of the TFBG with diあerent tilt angles in the PS 1250/1500 f i ber 对刻写在PS 1250/1500光纤上倾斜角不同的TFBG进行折射率传感实验,实验中折射率匹配液的折射率η为1.337∼1.474.当外界环境折射率到达或者超过包层模的有效折射率时,包层模不会继续被传导,随之会转换成连续的辐射模而消失.图5为环境折射率不同时TFBG的透射谱的变化情况.由图5可以看出,随着外界环境折射率的逐渐增加,短波方向(对应高阶包层模)包层模的对比度逐渐消减,这是因为高阶包层模有着相对较低的有效折射率,从而首先转换成辐射模.因此,当环境折射率增大时,高阶包层模首先消失,继续增加环境折射率,则更多的包层模消失,并且透射谱向长波方向漂移.另外,对于具有更大倾斜角的TFBG,在环境折射率较低时就有更高阶包层模谐振峰消失,但与较高环境折射率对应的更低阶包层模谐振峰却不存在.因此,TFBG的倾斜角决定了折射率测量动态范围的大小.图5刻写在PS 1250/1500光纤上不同环境折射率下的TFBG透射谱Fig.5 Transmission spectra of the TFBG written in the PS 1250/1500 f i ber with diあerent SRI图6 为外界环境折射率变化过程中倾斜角不同时TFBG透射谱中短波方向将消失的包层模谐振峰的波长位置的变化.从图6中可以看出,第一个没有消失的包层模谐振峰的波长位置与外界环境折射率具有较好的线性关系,即随着环境折射率的增加,短波方向即将消失的高阶包层模谐振峰的波长位置是呈线性增加的.对于倾斜角分别为2°,4°,6°和8°的TFBG,所测得的折射率灵敏度分别为537,534,539和562 nm/RIU,所有的包层模谐振峰都消失时与之对应的外界环境折射率分别为1.474,1.457,1.438和1.398.对刻写在GF1AA光纤上倾斜角不同的TFBG的折射率传感特性进行实验研究,得到了类似的实验结果,其中对于倾斜角为4°的TFBG,测得的折射率灵敏度为554 nm/RIU.图6 短波方向消失的包层模谐振峰的波长与外界环境折射率的对应关系Fig.6 Dependence of the resonance wavelength of disappeared cladding modes at shorter wavelength on the SRI普通TFBG的折射率灵敏度为2 nm/RIU,而基于等离子共振效应的镀金膜TFBG的折射率灵敏度为454 nm/RIU[7].因此,TFBG的包层模波长漂移可以用来进行环境折射率的测量.且可以取得较高的折射率灵敏度,约为普通TFBG波长测量方法的265倍,并且相对于镀金膜的TFBG,本工作提出的方法更简单,成本更低.3 结束语本工作对TFBG的折射率传感特性进行了实验性研究,提出了一种高灵敏度的折射率测量方法,即通过测量即将消失的高阶包层模谐振峰的波长来实现环境折射率的测量,且该方法的折射率灵敏度可达530 nm/RIU以上.另外,通过选择适当的光栅倾斜角度,还可以对其折射率测量的动态范围进行调节.参考文献:[1]ALBERT J,SHAO L Y,CAUCHETEUR C.Tilted f i ber Bragg grating sensors[J].Laser&Photonics Reviews,2013,7(1):83-108.[2]LAFFONT G,FERDINAND P.Tilted short-period f i bre-Bragg-grating-induced coupling to cladding modes for accuraterefractometry[J].Measurement Science and Technology,2001,12(7):765-770.[3]MIAO Y P,LIU B,ZHAO Q D.Refractive index sensor based on measuring the transmission power of tilted f i ber Bragg grating[J].Optical Fiber Technology,2009,15(3):233-236.[4]ZHANG X P,PENG W,LIU Y,et al.Core-cladding mode recoupling based f i ber optic refractive index sensor[J].OpticsCommunications,2013,294(5):188-191.[5]ZHENG J,DONG X Y,JI J H,et al.Power-referenced refractometer with tilted f i ber Bragg grating cascaded by chirped grating[J].Optics Communications,2014,312(4):106-109.[6]DONG L,ORTEGA B,REEkIE L.Coupling characteristics of cladding modes in tilted optical if ber Bragg gratings[J].Applied Optics,1998,37(22):5099-5105.[7]SHEVCHENkO Y Y,ALBERT J.Plasmon resonances in gold-coated tilted f i ber Bragg gratings[J].Optics Letters,2007,32(3):211-213.[8]IADICICCO A,CUSANO A,CAMPOPIANO S,et al.Thinned f i ber Bragg gratings as refractive index sensors[J].IEEE Sensors Journal,2005,5(6):1288-1295.[9]JIANG Q,HU D B,YANG M.Simultaneous measurement of liquid level and surrounding refractive index using tilted f i ber Bragg grating[J].Sensors and Actuators A:Physical,2011,170(1/2):62-65.[10]GUO T,TAM H Y,KRUG P A,et al.Ref l ective tilted f i ber Bragg grating refractometer based on strong cladding to core recoupling[J].Optics Express,2009,17(7):5736-5742.[11]DONG X Y,ZHANG H,LIU B,et al.Tilted f i ber Bragg gratings:principle and sensing applications[J].Photonic Sensors,2011,1(1):6-30.[12]KHALIQ S,JAMES S W,TATAM R P.Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating[J].Optics Letters,2001,26(16):1224-1226.[13]ZHOU B,ZHANG P,HE S L,et al.Cladding-mode-recoupling-based tiltedf i ber Bragg grating sensor with a core-diameter-mismatched fi ber section[J].IEEE Photonics Journal,2010,2(2):152-157.。
基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器
基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器章勇;唐丽;陈哲;余健辉;钟永春【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)004【摘要】为了实现在侧边抛磨光纤(SPF)上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶(DCG)作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究.使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF 侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅.光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9 dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致.温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃.这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用.【总页数】6页(P633-638)【作者】章勇;唐丽;陈哲;余健辉;钟永春【作者单位】暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室,广东广州510632;暨南大学光电工程系,广东广州510632;暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室,广东广州510632;暨南大学光电工程系,广东广州510632;暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室,广东广州510632;暨南大学光电工程系,广东广州510632;暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室,广东广州510632;暨南大学光电工程系,广东广州510632;暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室,广东广州510632;暨南大学光电工程系,广东广州510632【正文语种】中文【中图分类】TN256【相关文献】1.基于侧边抛磨光纤布拉格光栅的变压器油中溶解氢气传感器 [J], 江军;马国明;宋宏图;李成榕;罗颖婷2.侧边抛磨单模光纤表面等离子体传感器的设计和优化 [J], 冯信洁;张军;卢惠辉;陈哲;毛培玲;陈小龙;罗云瀚;彭水华;陈超英;王芳;唐洁媛;余健辉3.基于光纤侧边抛磨技术的醋酸浓度光纤传感器 [J], 唐洁媛;陈哲;范若岩;余健辉;张军4.基于光纤熔接与抛磨技术的硅锗芯光纤F-P腔温度传感器 [J], 李聪聪; 陈娜; 陈振宜; 刘书朋; 商娅娜5.侧边抛磨区材料折射率对光纤光栅波长的影响 [J], 刘林和;陈哲;白春河;李真因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率传感特性实验研究
基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率传感特性实验研究
吴浩伟;应朝福;彭保进;徐斐;赵亚辉
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2011(40)12
【摘要】报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射率传感器具有损耗低、成本低、灵敏度高和线性度好等特点.
【总页数】3页(P1881-1883)
【关键词】光纤光学;光纤传感;折射率测量;薄芯光纤;干涉仪
【作者】吴浩伟;应朝福;彭保进;徐斐;赵亚辉
【作者单位】浙江师范大学信息光学研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN253
【相关文献】
1.基于多模-细芯-多模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验研究 [J], 李辉栋;傅海威;邵敏;雍振;张旋
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应变传感实验研究 [J], 吴许强;方莎莎;王鹤林;张刚;时金辉;左铖;俞本立
5.基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究 [J], 周赢武
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一种基于电光晶体材料包层的新型光纤布拉格光栅传感器
一种基于电光晶体材料包层的新型光纤布拉格光栅传感器刘延君;樊航;侯尚林;王道斌;雷景丽;李晓晓【摘要】设计了一种包层为单轴晶体LiTaO3的新型光纤布拉格光栅传感器,将一个布拉格光栅分成两半,仅在其中的一半包层上施加电场,另一半保持不变,应用耦合模理论和电光效应原理研究了有外加电场时的传感性能.研究结果表明,由于包层材料的电光效应,布拉格反射峰将由初始的一个分裂成两个,分别对温度和电场敏感.其中无外加电场的一半光栅的温度灵敏度为14.31 pm/℃,与之对应的布拉格波长漂移只与温度有关;当电场强度从0 v/m增加到400×107 v/m时,有电场的一半光栅的温度灵敏度从14.31 pm/℃降低到14.13 pm/℃,与之对应的布拉格波长漂移不仅与温度有关,还受到电场强度的影响.因此,应用该传感器可分辨出温度和电场强度所引起的布拉格波长漂移,从而实现了温度和电场的同时测量,尤其在高电压领域具有潜在的应用价值.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2018(044)004【总页数】6页(P167-172)【关键词】布拉格光纤光栅;单轴晶体;电光效应;温度;电场【作者】刘延君;樊航;侯尚林;王道斌;雷景丽;李晓晓【作者单位】兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】O437近年来光纤光栅技术趋于成熟，不仅被广泛地应用在光纤通信领域，也被应用在应变、温度和折射率等物理量的测量和传感中.工业实践中，经常需要同时测量温度和应变，而温度和应变之间存在交叉敏感，很难将两者分别引起的布拉格波长的变化直接检测出来.为了克服这个难题，学者们相继提出了双波长光栅、两种纤芯材料的光纤光栅、双直径光栅熔接法、长周期光纤光栅和补偿设计等方法间接测量温度和应变[1-7].但这些方法需要把两段光栅或者进行熔接，或者需要在很短的一段光纤上曝光形成两种不同周期的光栅，成本较高，工艺复杂，熔接损耗大.单轴晶体材料包层光纤光栅相比于普通光栅具有更加灵活的零色散点[8]和更高的反射率[9]等优点，并且利用单轴晶体的电光效应和弹光效应可以制作出连续可调的光学器件.因此，该类型的光纤光栅越来越受到人们的重视.Stevenson[10]和Cozens[11]等研究了单轴各向异性材料为纤芯的光纤传输和截止特性，目前该类光纤已经实用化.M.Wakaki等[12]对单轴晶体材料做包层，光轴垂直光纤轴的光纤保偏器件进行了实验研究,实现了当纤芯直径为6μm，包层长度为6 mm的光纤保偏器，消光比达到31.2 dB.LU D等[13]对单轴晶体包层啁啾光纤光栅中电光效应和弹光效应做了理论研究，当轴向外加电场从1×107 v/m变化到8×107 v/m 时，得到了3种不同单轴晶体为包层时布拉格波长λB和反射谱随外加电场和应变场变化的关系.2012年，Li等[14]对包层为单轴各向异性材料的光纤Bragg光栅的反射谱与包层折射率关系进行了模拟分析. 模拟结果表明单轴晶体材料主轴折射率比对反射谱有很大的影响, 不同的单轴晶体材料主轴折射率比可以导致不同的光栅反射率和Bragg波长.已提出的制作单轴晶体材料包层光纤的方法[10-12]是首先将纤芯材料插入到熔融状态下的单轴晶体材料中，并且保证包层单轴晶体材料的光轴平行于光纤轴，待冷却后就可以得到单轴晶体材料做包层的光纤，如果再在这种光纤上用相位模板等技术刻写光栅，最终可在实验上实现以上提出的各种器件. 针对以上问题，本文提出了一种包层为单轴晶体LiTaO3、光轴沿着光纤轴的布拉格光纤光栅传感器，光栅的一半加平行于光纤轴的电场强度.由于LiTaO3材料的电光效应，加电场部分光栅的布拉格波长会发生移动相对未加部分光栅的布拉格波长产生移动，再结合温度对布拉格波长移动的影响关系，可以实现用一个光栅同时测量出温度和电场强度.1 理论分析1.1 理想正规模特征方程如图1所示，对于均匀的无周期性微扰结构的光纤，选取纤芯折射率为n0，纤芯半径为a，各向异性包层的3个主轴折射率分别为nx=ny=nt<nz，并且光轴沿Z 轴方向.图1 包层为LiTaO3的布拉格光纤光栅传感器结构Fig.1 Structure diagram of Bragg photo-fiber grating sensor with LiTaO3 cladding根据波动方程及边界条件可求得单轴各向异性包层的光纤的特征方程为[9]：(1)式中：n0>nt,满足β2<时，定义如下参数：Δ式中：k为真空中的波数，;β为光纤的纵向传播常数;W为横向归一化衰减常数;u 为归一化相位常量;V为归一化频率;Δ为相对折射率差;Jm为第一类贝塞尔函数;Km为变态第二类贝塞尔函数;kcl为包层光轴和横向折射率比.1.2 光栅耦合系数及反射谱分析假设光纤芯层折射率沿纵向分布的情形为[15](2)式中：n0为光纤的纤芯材料折射率;δneff为直流有效折射率的变化;v为调制深度;Λ为光栅周期.如图1，长度为L的光栅内有N个折射率变化，则Λ.根据耦合模理论，可求出同阶正反向传输模间的耦合系数为[14](3)式中则耦合系数可以表示为如下形式：K=σ+2κ(4)式中：σ为直流耦合系数；κ为交流耦合系数.基于耦合模理论和光纤光栅的边界条件[15-17]，可求得正反向传输模式之间的振幅比为ρ(5)因此，反射率为γ(6)式中：δ+σ为直流自耦合系数;δ=β-π/Λ=2πneff1/λ-1/λB为失谐量;λB=2neffΛ为Bragg波长;neff为纤芯的有效折射率.1.3 单轴晶体包层材料的电光效应当沿光轴方向对3 m点群的晶体施加电场E，它对应的主轴折射率为[18]γ13E(7)γ33E(8)式中：γ13和γ33是电光张量系数.定义施加电场后的主轴折射率比和相对折射率差分别为1.4 同时测量理论分析由于温度变化导致的光纤布拉格光栅中心波长的漂移可以表示为[19]ΔλB=λB(αn+αA)ΔT(9)如图1传感器的L1段被施加场强E，应用式(9)，在同时存在电场和温度变化的条件下，L1段和L2段的布拉格波长的漂移量分别为式中：αn和αA分别表示纤芯材料的热光系数和热膨胀系数；KT1和KT1分别表示L1段和L2段对应的温度灵敏度；λB1和λB2分别为当ΔT=0时，L1段和L2段所对应的布拉格波长，其中，λB1的大小与电场强度有关.光栅解调仪上测量的L1段对应的布拉格波长值可以表示为λB1(E)+ΔλB1，定义如下等式：λB1(E)+ΔλB1=A联立式(10,11)并化解得(13)2 数值模拟结果假设光纤纤芯半径a=1 μm，光栅周期Λ=0.358 μm，纤芯折射率n0=2.21[13]；LiTaO3晶体两个主轴折射率分别为nt=2.176、nz=2.180，电光系数为γ13=7.5×10-12、γ33=30.3×10-12.本文中电场强度分别取E=0,10×107,20×107v/m ，与文献[13]所使用的电场为同一个数量级.在上述三种电场下，L1段光栅的反射率与波长的变化曲线如图2所示.经研究发现，不同的电场强度值对应不同的布拉格波长(反射峰的中心波长)；当E=0 v/m时，对应的反射峰属于L2段，它不会随着电场强度的增加而移动.随着电场强度的逐渐增加，反射峰逐渐向左移动并且移动的距离越来越小，且反射峰的宽度也逐渐变小，当E=0 v/m时，宽度为0.055 nm；当E=20×107v/m时，宽度为0.045 nm.L1段包层沿光轴方向被施加轴向电场，布拉格波长λB1随着电场强度的变化曲线如图3所示.从图3中可以发现随着电场强度的增加，λB1逐渐减小，但是，L2段对应的布拉格波长λB2仍保持不变；换言之，L1段加电场之后，λB1<λB2，反射峰将由原来的一个分裂成两个.电场强度E从0 v/m增大到400×107 v/m时，布拉格长λB1减小了19. 876 9 nm.经过拟合线性方程，可以得到点场强度和波长之间的关系式为图2 不同电场下的反射谱曲线Fig.2 Reflection spectra curve of grating in various electric fields式中：A=8.102 22×1014，B1=-1.551 52×1012，B2=9.904 04×108，B3=-2.107 52×105.此外，当E=0 v/m时，λB1=λB2，此时λB1具有最大值；当E=400×107v/m时，λB1减小到1 544.405 7 nm.进一步研究可以发现曲线斜率的绝对值逐渐减小，这说明电场对布拉格波长的影响正在逐渐减弱.图3 布拉格波长随所加电场强度的变化Fig.3 Variation of Bragg wavelength with applied intensity of electric field for various E为了研究电场E对温度灵敏度KT的影响，本文计算了L1段光栅对应的温度灵敏度KT随着电场强度的变化规律，如图4所示.从图中可以发现温度灵敏度随着电场强度的增加呈现逐渐递减的趋势，减小速度逐渐减缓.当电场强度E从0 v/m逐渐增大到400×107 v/m，L1段光栅的温度灵敏度从14.31 pm/℃减小到14.13 pm/℃.值得注意的是L2段对应的温度灵敏度始终保持不变，大小等于图中E=0v/m时的值.因此，施加的电压越大，L1段的温度灵敏度越低，此时两段对应的温度灵敏度差别就越大.常用的PDMS(聚二甲基硅氧烷)[20]的击穿电压为2×107v/m，对应的介电常数的大小为2.75，而LiTaO3晶体光轴的介电常数大小为43，两者相差16倍，因此本文中提出的光纤光栅器件能够承受场强为108数量级的电场并且在高电压领域具有潜在的应用价值.L2段的温度模拟结果如图5所示.从图中可以发现，随着温度的逐渐提升，漂移量逐渐增大，并且与温度变化呈正比关系.温度t从0 ℃增加到1 000 ℃时，布拉格波长漂移了14.31 nm，增长速率为14.31 pm/℃.图4 温度灵敏度随电场强度的变化规律Fig.4 Variational rule of sensitivity of temperature with electric field intensity图5 L2段的布拉格波长漂移量随温度的变化Fig.5 Variation of Braggwavelength shifts of L2 segment with temperature现设定场强分别为E=100×107 v/m和E=370×107 v/m ，L1段和L2段的布拉格波长漂移量随温度的变化关系如图6a、6b所示，其中，虚线和实线分别表示L2段和L1段的布拉格波长漂移，插图为黑圈中所示部分放大图.如图6a所示，由于电场的存在造成L1段温度灵敏度降低，所以L1段的漂移量增长速率低于L2段的增长速率，由图3、图4可以得知此时两段所对应的布拉格波长和温度灵敏度分别为λB1=1 555.756 7 nm，λB2=1 564.375 7 nm；Kt1=14.23 pm/℃，Kt2=14.31 pm/℃.如图6b所示，此时两段所对应的布拉格波长和温度灵敏度分别为：λB1=1 545.171 2 nm，λB2=1 564.375 7 nm；Kt1=14.14 pm/℃，Kt2=14.31 pm/℃；相比于图6a，由于两者之间的温度灵敏度差值更大，所以曲线分离的越快.例如，当E=100×107 v/m、t=450 ℃时，绝对漂移量(两个漂移量之差)为0.04 nm，当E=370×107 v/m、t=450 ℃时，绝对漂移量(两个漂移量之差)为0.08 nm.选取E=370×107v/m，绝对漂移量与温度的变化关系如图7所示.从图中可以看出，由于电场的作用，两段Bragg光栅的绝对漂移量随着温度的增加而增加，温度达到10 ℃时，ΔλB2-ΔλB1约为10 pm，使用GS-YB-FBG-Ⅲ光纤光栅波长解调仪，分辨率可以达到0.1 pm.所以，本文提出的方案能够实现温度和电压的同时测量.图6 L1段和L2段的布拉格波长漂移量随温度的变化Fig.6 Variation of Bragg wavelength shifts of L1 and L2 segments with temperature图7 场强E=370×107 v/m时，绝对漂移量与温度的关系Fig.7 Dependence of absolute shifts of Bragg wavelength shifts on temperature when field intensity E=370×107 v/m由以上分析可知，L2段对应的布拉格波长λB2和温度灵敏度均为定值，即λB2=1 564.375 7 nm、Kt2=14.31 pm/℃，将数值代入式(11,13)得ΔλB2=14.31ΔT(15)(16)联立式(12，15，16)并化简得应用光栅解调仪测出的ΔLB2和A的值即可求出温度和λB1(E).再把求出的λB1(E)值代入式(14)中，求出此时的电场强度.从而实现电场-温度同时测量.实践中该光栅传感器可以直接用于测量，但是对光栅解调仪的分辨率要求较高，所以，可以采取增敏设计来增大温度灵敏度.增敏的原理是通过提高光纤光栅单位温度的形变量来提高温度灵敏度，温度增敏的方法可以采用以下3种：把光纤光栅粘贴或封装到热膨胀材料中；在光纤光栅表面镀上热膨胀系数很大的涂层；通过设计机械结构来增加灵敏度.采用第1种方法增加传感器的灵敏度时，可以把光纤光栅用导热胶粘贴到铝片基底上，封装后FBG的热光系数并没有改变,但FBG和导热膏及Al盒封装在一起,Al盒的热膨胀系数很大,当温度发生变化时,Al盒膨胀,由于铝的热膨胀系数为23×10-6℃，远大于硅的热膨胀系数，所以增大了中心波长的漂移,起到温度增敏的作用.另外，可以把该传感器的L1段和L2段分别粘贴上热膨胀系数相差很大的两种材料，从而增大两者的温度灵敏度差值.3 结论设计了一种包层为单轴晶体LiTaO3的布拉格光纤光栅传感器，将一个布拉格光栅分成两半，其中一半的包层被施加电场，另一半保持不变.由于电场的影响，布拉格反射峰将由初始的一个分裂成两个，分离出来的反射峰已经包含了电压信息.应用耦合模理论和电光效应原理研究了其传感特性，研究结果表明所加电场强度在0～400×107v/m之间时，没有电场的一段光纤光栅温度灵敏度为14.31 pm/℃，而包层被施加电场的光纤光栅温度灵敏度在14.13～14.31 pm/℃范围内变化.施加的电场强度不同，随着温度的改变，布拉格波长的移动速率将会不同，因此，本文提出的光纤光栅传感器可实现对温度和电场强度的同时测量.参考文献：【相关文献】[1] GUAN B O,TAM H Y,TAO X M,et al.Simultaneous strain and temperature measurement using a superstructure fiber Bragg grating [J].Photonics TechnologyLetters,IEEE,2000,12(6):675-677.[2] CAO Z,JI X,WANG R,et pact fiber sensor with high spatial resolution for simultaneous strain and temperature measurement [J].SensorsJournal,IEEE,2013,13(5):1447-1451.[3] SHU X,ZHAO D,ZHANG L,et e of dual-grating sensors formed by different types of fiber Bragg gratings for simultaneous temperature and strain measurements [J].Applied optics,2004,43(10):2006-2012.[4] LIN G R,LIU C C,FU M Y,et al.A dual-parameter sensor based on a no-core fiber and fiber Bragg grating [J].Optical Engineering,2014,53(5):1061-1063.[5] ZHULIN Z,ZHENKUN Y,HUIHUA W,et al.Temperature and Strain-Sensed Researches of Double Fiber Bragg Gratings[J].Journal Xi’an Jiaotong University,2004,38(6):607-610. 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光纤布拉格光栅（FBG）宏应变传感器的制作及测量实验研究
光纤布拉格光栅（FBG）宏应变传感器的制作及测量实验研
究
易飞飞;田石柱;邱伟宸
【期刊名称】《苏州科技大学学报：工程技术版》
【年(卷),期】2017(030)001
【摘要】在土木工程领域中，光纤布拉格光栅（FBG）还处于发展阶段，为了进一步推进光纤布拉格光栅（FBG）的发展．使其能够广泛应用于工程中，研究了FBG宏应变的制作及测量原理。
以光纤布拉格光栅宏应变传感器为实验对象．研究并实现了光纤布拉格光栅（FBG）传感器在平均应变模式下的应变测量。
试验结果表明，光纤布拉格光栅宏应变传感器在结构测量中具有较好的应用价值。
【总页数】6页(P7-12)
【作者】易飞飞;田石柱;邱伟宸
【作者单位】苏州科技大学土木工程学院,江苏苏州215011
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
【相关文献】
1.光纤布拉格光栅(FBG)宏应变传感器的制作及测量实验研究 [J], 易飞飞;田石柱;邱伟宸
2.粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正 [J], 吴入军;付昆昆;郑百林;孙佃亮
3.基于拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究 [J], 郝子鉴;卜胜利;李用希;李迪辉;韩仲学
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* 江苏省自然科学基金( BK2004207) 和国家杰出青年科学基金( 60125513) 资助课题。 作者简介: 恽斌峰( 1979~ ) , 男, 江苏常州人, 东南大学电子工程系博士研究生, 主要从 事光纤光栅的传感应用 技术研究。
E mail: ybf@ seu. edu. cn * * 通信联系人。E mail: cy p@ seu. edu. cn
( Adva n ced Photon ics Cent er , Depar tm en t of Electr on ic Engin eer in g , S outhea st U niv er sity , Na njin g 210096)
Abstract: A new refractive index sensing scheme based on the cladding modes of fiber Bragg grating ( FBG) is presented. I n the experiments, glycerin aquatic solutions with different concertrations are used as the external refractive index sensing media, and the cladding diameter of FBG is reduced by et ching the fiber with HF solution to enhance the sensitivity of cladding modes to the external refractive index. Dependence of the coupling wavelength of the etched FBG cladding mode on the external refractive index is measured. The results show that in the refractive index range of 1. 3300~ 1. 4584, the coupling wavelength of cladding mode shifts longer with the increase of the external refractive index and a higher sensitivity is achieved when the external refractive index is close to that of fiber cladding ' s, and the maximum refractive index sensitivity reaches 172 nm/ riu ( refractive index unit ). Furthermore, the full width at half maximum (FWHM) of resonant cladding mode is 0. 07 nm, which is about 1/ 4 of that of the core mode's. With this narrower spectrum, a higher sensing resolution can be achieved. Key words: fiber optics; refractive index sensor; etch; cladding mode
分别
是纤
芯模
式
的
有
效折
射
率
和
第
m
阶包层
模式的有效折射率, FBG 是光纤布拉格光栅的折射
率调制周期。根据光纤三层模型的光纤布拉格光栅
包层模式分析[ 15] 和有限包层光纤布拉格光 栅的理
论分析[ 16]
可知,
ncl ef
fm
和
n
c e
o ff
都随外
界
折射
率
变化
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
而
变
化, 通过腐蚀光纤, 包层的直径大大减小, 包层模式
摘要: 提出了基于光纤布拉格光栅( F BG) 包层模式的折射率传感方案。实验中, 利用不同浓度的丙三醇水溶液作为
外界折射率传感溶液, 采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径 以增大包层模式对外界折射率的敏感
度, 研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验 结果表明在 1. 3300~ 1. 4584
3实 验
实验中采用倍频氩离子激光器和相位掩模板在 型号为 PS RMS 30 的非包层模抑制光敏光纤上刻制 了光纤布拉格光栅, 布拉格纤芯模式的谐振波长在 1550. 24 nm, 半峰全宽为 0. 3 nm, 同时存在上百个包 层模式, 包层模式的光谱半峰全宽约为 0. 07 nm, 是 纤芯模式的 1/ 4, 但包层模的透射损耗比较小, 约为 1 dB左右, 通过腐蚀光纤布拉格光栅使光纤的包层 直径减小, 可以增强包层模光能量到外界的耦合, 从 而增强包层模式的损耗。首先将光纤布拉格光栅放 在质量分数为 40% 的氢氟酸中腐蚀 45 m in, 包层直 径减小到十几微米[ 8] 。随着包层直径的减小, 高阶 包层模式变成辐射模, 光栅中的包层模式数也逐渐 减少, 实验得到腐蚀后包层模式的光谱图如图 1 所 示, 经腐蚀后只留下了七阶包层模, 采用透射率最大 的第四阶包层模进行折射率传感, 它的透射损耗达 到6. 5 dB, 完全满足传感应用的要求。
参考文献
1 A lan D. K ers ey, M ichael A . D avis , H eat her J. Pat rick et al . . Fiber grat ing sen sors [ J ] . J. Li g htw av e T echnol . , 1997, 15( 8) : 1442~ 1463
7期
恽斌峰等: 基于包层模的光纤布拉格光栅 折射率传感特性
射率范围内, 第四阶包层模式有很高的折射率灵敏 度, 最大灵敏度达到 172 nm, 大于文献[ 8] 中实现的 7. 3 nm 和文献[ 9] 中实现的 71. 2 nm 的折射率灵敏 度。
图 4 第 4 阶包层模式的折 射率灵敏度图 Fig . 4 Refractiv e index sensitivity of the fourt h o rder
2 H uang Chong, Cai H aiw en, G eng Jian xin et al . . Wavelengt h int errogat ion based on a M ach Zeh nder int erf eromet er w it h a 3 3 fib er coupl er f or f iber Bragg grat ing sensors [ J ] . Chi n. J. L ase rs , 2005, 32( 10) : 1397~ 1400 ( in Chinese) 黄 冲, 蔡海文, 耿健新 等. 基于 3 3 耦合器的 马赫 曾 德尔干 涉仪的光纤光 栅波 长解调 技术 [ J ] . 中国 激光, 2005, 32( 10) : 1397~ 1400
的折射率范围内, 包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大, 在接近光纤包层折射率处具有很高的折 射率灵敏度,
最大达到了 172 nm/ riu ( refractive index unit) 。而且, 包层模谐振的光谱半峰全宽( 约 0. 07 nm) 仅为布拉格纤芯模谐
振光谱半峰全宽的 1/ 4, 能够获得更好的传感精度。
3 Yu Y oulong, Liu Sh enchun, H wayaw T am et al . . Tim e domain addressin g t echnique f or f iber Bragg grat ing sen sor sy st em wit h
收稿日期: 2005 10 18; 收到修改 稿日期: 2005 12 12
光
学
学
报
26 卷
2原 理
光纤布拉格光栅包层模式的谐振波长由下式决
定[ 14] :
= FBGm
(
nco eff
+
ncl effm
)
FBG ,
( 1)
其中
FBG m 是 第
m
阶 包 层模 式的 谐振 波长,
nco eff
和
ncl FBGm
关键词: 光纤光学; 折射率传感器; 腐蚀; 包层模
中图分类号: T N253
文献标识码: A
Refractive Index Sensing Characteristics of Fiber Bragg Grating Based on Cladding Mode
Yun Binfeng Chen Na Cui Yiping
第 26 卷 第 7 期 2006 年 7 月
光学学 报 A CT A OPT ICA SINICA
文章编号: 0253 2239( 2006) 07 1013 3
Vo l. 26, N o. 7 July, 2006
基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性*
恽斌峰 陈 娜 崔一平* *
( 东南大学电子工程系先进光子学中心, 南京 210096)
受外界折射率的影响增强, 从而增强了包层模式的
谐振波长对外界折射率的灵敏度, 通过测量包层模
式谐振波长的偏移量, 就可以实现高灵敏度的折射
率传感。
因为包层模式的光谱半峰全宽为 0. 07 nm, 接 近光谱仪的分辨力, 所以采用基于可调谐激光器的 光波测试系统( Ag ilent 8164A) 进行折射率传感, 实 验装置如图 2 所示。实验中, 随着外界折射率的增 大, 光纤包层折射率和外界折射率之间的差越来越 小, 从而导致光纤布拉格光栅中的一些高阶包层模 转变为辐射模而消失。而残留的包层模随着外界折 射率和光纤包层折射率差的减小, 使越来越多的光 能量耦合到外界, 从而随着外界折射率的增大, 光纤 布拉格光栅存在的包层模数越来越少, 包层模的透 射损耗略有增大, 而包层模的带宽基本不变。