胡義慧，郭小珊，江 超，劉繼兵

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

用于溫度與應(yīng)力同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器

胡義慧，郭小珊，江 超，劉繼兵

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

為了實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的高精度同時(shí)測(cè)量，利用波長(zhǎng)800nm飛秒激光脈沖在普通單模光纖上加工一個(gè)微腔，然后用拉錐機(jī)把光纖拉成一個(gè)錐形光纖，微腔變?yōu)闄E圓形腔，利用光纖切割刀把錐形光纖的一個(gè)端面切斷后與普通單模光纖熔接在一起，構(gòu)成一個(gè)Mach-Zehnder干涉儀，利用它進(jìn)行溫度和應(yīng)力同時(shí)測(cè)量。理論分析了該傳感器實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力同時(shí)測(cè)量的原理，利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度與應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用傳感器透射譜第一個(gè)諧振峰(dip1)進(jìn)行測(cè)量獲得的靈敏度為40.4 pm/℃和0.32 pm/με；利用傳感器透射譜第二個(gè)諧振峰(dip2)進(jìn)行測(cè)量獲得的靈敏度為52.0 pm/℃和0.38pm/με。這種光纖傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高的特點(diǎn)。

光纖傳感技術(shù)；飛秒激光；溫度傳感器；應(yīng)力傳感器；光纖微結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，飛秒激光微納制造技術(shù)日趨成熟。該技術(shù)具有加工精度高，質(zhì)量好，能夠?qū)崿F(xiàn)三維加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微納光纖器件制造中。飛秒激光脈沖能量能夠在極短時(shí)間內(nèi)注入到焦點(diǎn)區(qū)域的材料內(nèi)，有效抑制了加工過(guò)程中熱效應(yīng)的影響，屬于冷加工技術(shù)。近年來(lái)，人們利用飛秒激光微納制造技術(shù)在光纖表面或內(nèi)部制作了新穎的光纖器件[1-3]。還能夠利用飛秒激光在光纖中制作各種類(lèi)型的傳感器[4-10]，例如，利用飛秒激光器在光纖中制作Fabry-Perot(F-P)干涉儀傳感器[4-5]，能夠用于各種物理量的測(cè)量中；利用飛秒激光器在光纖中制作Mach-Zehnder干涉儀(MZI)傳感器[6-10]，由于靈敏度高在傳感領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。本文利用飛秒激光微納制造技術(shù)構(gòu)造了一種能夠用于溫度與應(yīng)力同時(shí)測(cè)量的MZI。介紹了傳感頭的制作方法，分析了該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力同時(shí)測(cè)量的原理，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了該傳感器溫度靈敏度與軸向應(yīng)力靈敏度。

1 光纖傳感頭的制作方法與傳感原理分析

1.1 光纖傳感頭的制作方法

利用飛秒激光微加工技術(shù)、光纖拉錐技術(shù)與光纖熔接技術(shù)制作了圖1所示的新型光纖溫度和應(yīng)力傳感器探頭。首先，把普通單模光纖剝?nèi)ネ扛矊?，用光纖切割刀把單模光纖端面切割平整，將此端面垂直固定在顯微鏡下的三維平臺(tái)上；然后，用波長(zhǎng)800nm、脈沖寬度35fs、重復(fù)頻率為1KHz的飛秒激光經(jīng)過(guò)20×物鏡聚焦后照射到光纖端面中心位置上，飛秒激光功率控制在20mW，通過(guò)顯微鏡頂端CCD實(shí)時(shí)觀察光纖端面的變化，在單模光纖端面中心加工出一個(gè)凹形槽， 利用光纖熔接機(jī)將它與另外一個(gè)端面平滑的單模光纖熔接起來(lái)，進(jìn)行可控光纖拉錐，在光纖內(nèi)部形成一個(gè)長(zhǎng)度理想的空氣腔，空氣微腔兩端的光纖直徑要小于普通單模光纖直徑。最后，將空氣微腔一端的錐形光纖切斷，用特種光纖熔接機(jī)(Fujikura FSM-100P+)把它與普通單模光纖再熔接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)理想的傳感器探頭。

圖1 飛秒激光在光纖中加工的微腔結(jié)構(gòu)與光傳輸示意圖

1.2 傳感原理分析

在圖1中，由于在光纖內(nèi)部形成了一個(gè)空氣腔和對(duì)光纖進(jìn)行了拉錐，使得原來(lái)在光纖內(nèi)部傳播光的模式發(fā)生了改變。光經(jīng)過(guò)纖芯、空氣腔和錐形光纖時(shí)被分為兩部分，一部分沿包層傳播，另外一部分在空氣腔內(nèi)傳播，空氣腔中的模與包層模會(huì)形成干涉；同時(shí)光在直徑較細(xì)與較粗的光纖連接處，包層模和纖芯模也會(huì)形成干涉。選擇好參數(shù)后最終形成一個(gè)馬赫澤德干涉儀，透射譜就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的分布。當(dāng)外界條件(例如溫度或應(yīng)力)改變時(shí)，會(huì)造成光纖纖芯有效折射率的變化，從而使透射譜的諧振幅值波長(zhǎng)發(fā)生線性改變。通過(guò)測(cè)量諧振峰值波長(zhǎng)的改變，可以進(jìn)行溫度或應(yīng)力等物理量的測(cè)量。設(shè)空氣腔和包層的光表示為Iair和Iclad，經(jīng)過(guò)空氣腔后兩束光會(huì)發(fā)生干涉。干涉強(qiáng)度可表示為：

(1)

λ為入射光的波長(zhǎng)，L為空氣腔的腔長(zhǎng)，為纖芯與空氣腔的有效折射率差。設(shè)L為常數(shù)，當(dāng)兩束光滿足馬赫澤德干涉儀條件時(shí)，可以推導(dǎo)出諧振峰值波長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系[10]：

(2)

(3)

(4)

同樣在微拉過(guò)的光纖與普通光纖連接處，較細(xì)光纖纖芯和包層傳輸?shù)墓鈺?huì)在普通光纖的纖芯中再次發(fā)生耦合，形成更多的干涉條紋。我們?nèi)∑渲袃蓚€(gè)對(duì)溫度與應(yīng)力比較敏感的諧振峰波長(zhǎng)作為測(cè)量對(duì)象，通過(guò)監(jiān)測(cè)它們的波長(zhǎng)變化量，找出波長(zhǎng)變化量與溫度和應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以寫(xiě)成下面變化關(guān)系矩陣：

(5)

△λ1和△λ2是選定的兩個(gè)諧振峰波長(zhǎng)的變化量，kT1KT2和kε1Kε2分別表示兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的溫度和應(yīng)力測(cè)量靈敏度。△T和△ε分別表示光纖的溫度和軸向應(yīng)力的變化量。通過(guò)對(duì)這個(gè)矩陣進(jìn)行反變換，能夠獲得溫度和軸向應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量的關(guān)系式：

(6)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傳感器探頭干涉光譜的測(cè)量

在室溫下(22℃)，把制作好的光纖傳感探頭連接上寬帶光源與光譜分析儀，在沒(méi)有施加軸向應(yīng)力的情況下，測(cè)得的透射譜如圖2所示，透射譜是一個(gè)穩(wěn)定的分布。與文獻(xiàn)[10]相比，我們這個(gè)結(jié)構(gòu)由于發(fā)生了兩次干涉，獲得更多光譜諧振峰，為進(jìn)行多參量同時(shí)測(cè)量提供了更多的選擇。在后面實(shí)驗(yàn)中，我們選擇圖中dip1與dip2這兩個(gè)強(qiáng)度較大、波長(zhǎng)相隔較遠(yuǎn)的兩個(gè)諧振峰值波長(zhǎng)作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 光纖MZI的透射光譜圖

圖3 光纖MZI的干涉光譜的空間頻譜圖

為了分析干涉模式的數(shù)量與功率分布，把圖2的波譜通過(guò)傅里葉變換得到了圖3的空間頻譜。從圖中可以分析，第一個(gè)功率強(qiáng)度峰在零點(diǎn)，涉及到的是纖芯模。非零點(diǎn)的功率強(qiáng)度分布峰是纖芯模與包層模相互耦合作用的結(jié)果。圖中第二個(gè)強(qiáng)度分布峰是纖芯模與低階包層模耦合作用的結(jié)果。圖中多個(gè)較小的強(qiáng)度峰對(duì)應(yīng)高階包層模。纖芯模與高階包層模之間的那些干涉也修飾了整個(gè)干涉的包絡(luò)，對(duì)整個(gè)穩(wěn)定的干涉分布均作出了貢獻(xiàn)。

2.2 溫度與應(yīng)力同時(shí)傳感測(cè)量

光纖傳感實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括寬帶光源(BBS)、光譜分析儀(AQ6370D)、精密可控溫度爐(GSL-1600X，溫度精度為±1℃)、兩個(gè)平臺(tái)一個(gè)固定平臺(tái)和一個(gè)可以移動(dòng)平臺(tái)。利用溫度爐進(jìn)行溫度傳感測(cè)量實(shí)驗(yàn)，利用可移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖4 光纖傳感測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)：將光纖傳感器探頭部分放在溫度爐里，用控溫程序控制溫度均勻上升，從50℃上升到110℃，每隔10℃用光譜儀記錄下傳感器的透射譜數(shù)據(jù)，傳感器在每一個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)保持30min，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖5為記錄的不同溫度下傳感器的透射譜波形變化圖。

圖5 不同溫度下傳感器的透射譜波形變化圖

圖6 不同溫度下諧振峰值波長(zhǎng)變化的線性擬合圖

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度上升時(shí)，透射譜的諧振峰值波長(zhǎng)會(huì)向右漂移(紅移)。而且波形整體向上還有一定的漂移，說(shuō)明諧振峰損耗幅值在溫度變化時(shí)也會(huì)變化，但損耗峰幅值變化幅度在1dB以內(nèi)，相較于初始損耗幅值來(lái)說(shuō)，變化不大，不會(huì)影響它作為溫度傳感器測(cè)量溫度的性能。溫度變化造成的諧振峰值波長(zhǎng)變化的線性擬合如圖6所示，在dip1(1442nm)和dip2(1522nm)兩個(gè)波段的線性度分別為0.984和0.977，說(shuō)明諧振峰值波長(zhǎng)與環(huán)境溫度之間存在比較好的線性度。當(dāng)溫度變化時(shí)引起的諧振峰值波長(zhǎng)變化值比較大，說(shuō)明溫度測(cè)量的靈敏度較高。由圖中曲線可以得到dip1與dip2兩個(gè)點(diǎn)溫度測(cè)量靈敏度達(dá)到了40.4 pm/℃和52.1 pm/℃，與其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)溫度傳感器的靈敏度基本相當(dāng)[10]，與理論分析計(jì)算的結(jié)果吻合。

圖7 不同軸向應(yīng)力下的透射譜波形變化圖

圖8 不同軸向應(yīng)力下諧振峰值波長(zhǎng)變化的線性擬合圖

應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)的透射譜波形變化圖如圖7所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力增加時(shí)波形整體向右漂移(紅移)。而且波形整體向上還有一定的漂移，說(shuō)明諧振峰損耗幅值在軸向應(yīng)力變化時(shí)會(huì)變化，但損耗峰幅值變化幅度都很小，相較于初始損耗幅值來(lái)說(shuō)變化不大，不會(huì)影響它作為應(yīng)力傳感測(cè)量的性能。由于應(yīng)變是在彈性范圍內(nèi)，因此不會(huì)造成損耗峰幅值有太大的變化，也不會(huì)影響光纖傳感器的強(qiáng)度與特性。應(yīng)力變化造成的諧振峰值波長(zhǎng)變化的線性擬合如圖8所示，兩個(gè)峰的線性擬合度分別達(dá)到了0.996和0.984，說(shuō)明諧振峰值波長(zhǎng)與光纖軸向應(yīng)力之間存在比較好的線性度，但應(yīng)力引起的諧振峰值波長(zhǎng)變化值較溫度的小，說(shuō)明應(yīng)力測(cè)量靈敏度比溫度的低。由圖中曲線可以得到靈敏度分別為0.32 pm/με和0.38 pm/με，與其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)應(yīng)力器件的靈敏度基本相當(dāng)[10]，與理論分析計(jì)算的結(jié)果吻合。

根據(jù)不同的溫度和軸向應(yīng)力的靈敏度可以寫(xiě)出測(cè)量矩陣：

(7)

利用矩陣逆變換方法，光纖器件的溫度變化與軸向應(yīng)力變化可以利用下面矩陣獲得：

(8)

4 結(jié)論

利用飛秒激光制作了一款基于光纖內(nèi)部空氣微腔的光纖馬赫澤德干涉儀(MZI)，該干涉儀能夠用來(lái)進(jìn)行溫度與軸向應(yīng)力同時(shí)傳感測(cè)量。光纖內(nèi)部的空氣微腔和粗細(xì)光纖的熔接是利用飛秒激光微加工技術(shù)與光纖熔接技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)的。該器件的透射譜有多個(gè)穩(wěn)定的諧振峰，一些諧振峰峰值有較好的溫度與應(yīng)力敏感性。通過(guò)選擇其中兩個(gè)諧振峰峰值波長(zhǎng)變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得較高的溫度靈敏度(40.4 pm/℃和52.1 pm/℃)和應(yīng)力靈敏度(0.32 pm/με和0.38 pm/με)，說(shuō)明利用該器件可以實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量。這種光纖在線結(jié)構(gòu)的馬赫澤德干涉儀構(gòu)成的溫度傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

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Optical fiber sensor for simultaneous temperature and stress measurement by femtosecond laser micromachining

HU Yi-hui, GUO Xiao-shan, JIANG Chao, LIU Ji-bing

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University,Huangshi 435002, China)

To realize high-precision temperature and stress simultaneous measurement, a new type of fiber temperature and stress sensor is fabricated by femtosecond laser micromachining. The femtosecond laser with wavelength 800nm is employed to ablate a micro-cavity on single mode fiber, and form a tapered elliptical micro-cavity by taper devices, and tapered fiber end is connected with a single-mode fiber, which fabricates a new Mach-Zehnder interference for temperature and stress simultaneous measurement. The operation mechanisms of temperature and stress measurement by Mach-Zehnder interference are theoretical analyzed. The sensing experiments of the ambient temperature and the axial stress measure are finished. The experimental results show that the dip1 sensitivities are 40.4 pm/℃ and 0.32 pm/με, and the dip2 sensitivities are 52.0 pm/℃ and 0.38 pm/με.

optical fiber sensing technology; femtosecond laser; temperature sensor; stress sensor; fiber microstructure

2016—10—24

湖北師范大學(xué)2015年優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助(T201502)，湖北師范大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目(20160302)

胡義慧(1991— )，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要從事光纖傳感器研究.

TN253

A

2096-3149(2017)01- 0083-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.01.017