飛秒激光耐高溫光纖光柵傳感器的制備

夏巨江，李　芳

武漢工程大學理學院，湖北 武漢 430205

飛秒激光耐高溫光纖光柵傳感器的制備

夏巨江，李芳*

武漢工程大學理學院，湖北 武漢 430205

針對傳統(tǒng)光纖光柵傳感器由于折射率調(diào)制量導致溫度穩(wěn)定性差的缺點，利用了飛秒激光誘導折射率變化的機理制備了一種耐高溫的光纖光柵溫度傳感器.首先采用800 nm飛秒激光結(jié)合相位掩膜板法在標準通信光纖上寫制了光纖布拉格光柵傳感器，然后通過高溫退火實驗對該傳感器在900℃下的溫度穩(wěn)定性進行了測量，最后采用線性擬合的方法得到了傳感器的溫度靈敏度系數(shù).實驗結(jié)果表明，該傳感器在900℃下具有較好的溫度穩(wěn)定性，在溫度為100℃到900℃范圍內(nèi)溫度靈敏度系數(shù)達到1.27×10-11m/℃.

光纖傳感器；光纖光柵；高溫測量；飛秒激光

1　引　言

光纖布拉格光柵是利用光纖存在光敏性，用特殊方法引起光纖芯層的折射率發(fā)生周期性的調(diào)制形成的，它能夠?qū)M足Bragg條件的入射光產(chǎn)生反射.光纖光柵具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、易波分復用、使用周期長等優(yōu)點，在光纖通信領(lǐng)域［1-3］和光纖傳感領(lǐng)域［4-6］具有不可忽視的地位.

普通型光纖光柵只能工作在室溫到200℃，當外界溫度高于200℃，其反射光譜隨著溫度升高而急劇下降，當溫度達到350℃，光柵就會被完全擦除［7］.為了滿足光纖光柵在高溫領(lǐng)域的應用，國內(nèi)外在耐高溫光纖光柵的研制方面開展了大量工作.Groothoff［8］提出使用非穩(wěn)態(tài)腔準分子激光器刻寫出了Ⅱ型光纖光柵，它能夠承受700℃以上的高溫，但當溫度在700℃以上時，光譜才發(fā)生變化. Fokine［9］采用氬離子激光器在載氫的摻氟光纖上刻寫種子光柵，然后使用高溫爐將種子光柵進行高溫退火實驗.種子光柵在溫度達到950℃時光柵完全被擦除，之后又生長出一個反射率約25%的再生光纖光柵.這種再生光柵稱為化學組分光纖光柵（chemicalcomposition gratings，簡稱CCG），它能夠工作于高溫.隨后，研究人員在摻鉺［10］及硼鍺共摻［11-12］的光纖中制作了CCG，并證明了CCG能夠在1 000℃的高溫環(huán)境下正常工作.Martinez［13］等采用飛秒激光脈沖結(jié)合逐點法在單模光纖上寫制得II型光纖光柵，并發(fā)現(xiàn)光柵能夠工作于1 000℃以上的高溫環(huán)境.Mihailov等［14］采用飛秒激光在普通單模光纖上采用相位掩膜板法寫制了II型光纖光柵，發(fā)現(xiàn)其能夠承受1 295℃的高溫.為了進一步探索光纖光柵的耐高溫特性，Grobnic等［15］用飛秒激光在藍寶石光纖上制作能夠正常工作于1500℃的II型光纖光柵.結(jié)合上述分析，采用飛秒激光器結(jié)合相位掩膜板法，在標準通信光纖上制作出能夠承受高溫的II型光纖光柵，把傳感器置于高溫環(huán)境進行退火實驗，測試了這種光纖光柵的溫度穩(wěn)定性和靈敏度.

2　實驗部分

2.1傳感器制作

實驗裝置圖如圖1所示.實驗中采用的飛秒激光器是輸出中心波長為800 nm、重復頻率為1 kHz、脈沖寬度為50 fs、單脈沖能量輸出達到1.2 mJ，輸出光斑的高斯半徑為4 mm的鈦寶石飛秒激光再生放大系統(tǒng).光柵的刻寫系統(tǒng)是由一個平凸透鏡（柱透鏡焦距60 mm）、一個三階相位掩膜板（Stocker Yale，相位掩膜板周期為3 200 nm）和一對高精密三維光纖調(diào)整架組成.光纖通過一個3dB耦合器分別連接寬帶光源和光譜分析儀，可以實時觀察光譜變化.

圖1　飛秒激光刻寫光纖光柵的光路圖Fig.1　Optical pathdiagram of FBG fabricated by femtosecond laser pulses

800nm飛秒激光經(jīng)過一個半波片和格蘭棱鏡組合的光強調(diào)節(jié)裝置，再經(jīng)過一個柱透鏡聚焦經(jīng)過相位掩膜板形成級衍射光，在衍射區(qū)域產(chǎn)生的干涉條紋會誘導光纖纖芯折射率周期性的調(diào)制，從而制備出光纖Bragg光柵.實驗中，光纖樣品通過在一對高精度的三維調(diào)節(jié)臺上被固定，通過仔細調(diào)節(jié)和聚焦，可以在光纖內(nèi)部快速制備質(zhì)量比較好的光柵.同時，通過光譜分析儀可以實時的觀察監(jiān)測光柵中心波長的生長過程.

實驗中采用上述加工系統(tǒng)，使用加工功率為500 mW，曝光時間為2 min 30 s，制作出了反射強度為14dB，中心波長在1543.85 nm附近的光柵樣品，反射光譜如圖2所示.

圖2　光纖光柵反射光譜圖Fig.2　Reflective spectrum of FBG

2.2理論分析

由光纖耦合模理論分析可知，當寬帶光源的光入射光纖布拉格光柵時，滿足相位條件的光會發(fā)生反射，其中反射光的中心波長為

式（1）中，nneff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光柵的周期.當光柵周邊溫度改變時，由于熱膨脹引起周期的改變和熱光效應使光纖纖芯的有效折射率的變化，從而導致中心波長發(fā)生變化：

式（2）中，ζ代表熱光系數(shù)，表示的是溫度對光纖纖芯折射率的變化，而光纖光柵的熱膨脹系數(shù)為α，由式（2）可知，當材料一定，光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)基本上是只與材料系數(shù)相關(guān)，這就保證了光纖光柵作為溫度傳感器可以得到良好的線性輸出［16］.對于熔融石英光纖，在1550 nm中心波長處可得到溫度靈敏度為10.8 mp/℃［17］.

3　結(jié)果與討論

將光柵樣品懸空置于高溫管式爐中，研究光柵的波長對溫度變化的靈敏度.溫度響應實驗裝置圖如圖3所示，光柵的輸入端通過3dB耦合器與光源和光譜分析儀相連，光柵區(qū)域置于高溫管式爐中，進行短周期退火實驗.

圖3　實驗裝置圖Fig.3　Experimentaldevice

由于溫度的改變會使光柵的反射光譜發(fā)生偏移，所以對光柵樣品的溫度響應做了實驗研究.將Bragg光柵置于高溫加熱爐中，對其進行溫度響應測試，其溫度變化范圍為100℃到900℃，變化步長為100℃，停留30 min待光譜穩(wěn)定后，記錄其在不同溫度下的光譜變化和中心波長的偏移情況，結(jié)果如圖4所示.

圖4　光譜隨溫度的變化圖Fig.4　Variation of spectrum with temperature

由圖4可知，隨著溫度的升高，反射光的中心波長往長波方向漂移（即紅移）.反射強度隨著溫度變化基本保持穩(wěn)定，即使在溫度為900℃的高溫，反射強度也未下降.為了驗證光柵對溫度的穩(wěn)定性，實驗中把溫度增加至1 000℃，光柵強度也未發(fā)生嚴重退化.表明此種方法制作的布拉格光柵能夠在高溫環(huán)境下正常工作.為了得到光柵在100℃到900℃的溫度靈敏度，對此范圍內(nèi)的中心波長進行了線性擬合，結(jié)果如圖5所示.線性擬合后，光柵在100℃到900℃的范圍內(nèi)，溫度靈敏度為1.27×10-11m/℃，線性相關(guān)系數(shù)達到0.998.

圖5　中心波長隨溫度的變化圖Fig.5　Variation of FBG wavelength with temperature

由上述實驗分析可知，設計的光纖光柵傳感器相比于傳統(tǒng)的光纖光柵傳感器有效的避免了光柵的衰退效應，不僅保證了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，而且提高了光纖光柵溫度測量范圍.同時，由于光纖的抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、重量輕等優(yōu)點，此光纖光柵傳感器可以有效的工作于航空航天、導彈制導、冶煉等特殊的高溫測量領(lǐng)域.

4　結(jié)語

為了提高光纖光柵的溫度穩(wěn)定性，采用飛秒激光結(jié)合相位掩膜板法，在標準通信單模光纖上制備出能夠承受高溫的II型光纖光柵，制備方法簡單，傳感器尺寸小，耐高溫穩(wěn)定性好.實驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，光纖光柵的中心波長會往長波方向漂移，當工作溫度為100℃到900℃范圍時，實驗所得溫度靈敏度為1.27×10-11m/℃，線性相關(guān)系數(shù)達到0.998.因此，這種光纖光柵傳感器能夠滿足航空航天、導彈制導、冶煉等一些高溫領(lǐng)域的測量需求，具有良好的應用前景.

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本文編輯：陳小平

Fabrication of High-Temperature-Resistant Fiber Grating Sensor by Femtosecond Laser

XIA Jujiang，LI Fang*
School of science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan430205，China

Aimed at the poor temperature stability of traditional fiber grating sensors，a heatresistant fiber bragg grating（FBG）sensor was fabricated by the femtosecond laser based on the mechanism of induced refractive indexchange.Firstly，the 800nm femtosecond lasercombined with the phase mask plate method was adopted to write FBG sensors in the standard telecommunication fiber.Then the temperature stability of the sensor was measured by the high temperature annealing experiment under 900℃.Finally，the temperature sensitivity of the sensor was obtained by using linear fitting.The experimental results show that the sensor has a very high temperature stability under 900℃，and the sensitivitycoefficientcan achieve 1.27×10-11m/℃in the range of 100-900℃.

fiber sensors；fiber gratings；high-temperature measurement；femtosecond laser

TN253

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.02.018

1674-2869（2016）02-0200-04

2015-11-27

夏巨江，碩士研究生.E-mail：jiangjxia@163.com

李芳，博士，教授.E-mail：lifang_wit@hotmail.com