用于溫度與應力同時測量的光纖傳感器

胡義慧，郭小珊，江 超，劉繼兵

(湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

用于溫度與應力同時測量的光纖傳感器

胡義慧，郭小珊，江 超，劉繼兵

(湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

為了實現溫度和應力的高精度同時測量，利用波長800nm飛秒激光脈沖在普通單模光纖上加工一個微腔，然后用拉錐機把光纖拉成一個錐形光纖，微腔變?yōu)闄E圓形腔，利用光纖切割刀把錐形光纖的一個端面切斷后與普通單模光纖熔接在一起，構成一個Mach-Zehnder干涉儀，利用它進行溫度和應力同時測量。理論分析了該傳感器實現溫度和應力同時測量的原理，利用該結構進行了溫度與應力傳感實驗。實驗結果表明：利用傳感器透射譜第一個諧振峰(dip1)進行測量獲得的靈敏度為40.4 pm/℃和0.32 pm/με；利用傳感器透射譜第二個諧振峰(dip2)進行測量獲得的靈敏度為52.0 pm/℃和0.38pm/με。這種光纖傳感器具有體積小、結構簡單、靈敏度高的特點。

光纖傳感技術；飛秒激光；溫度傳感器；應力傳感器；光纖微結構

0 引言

隨著飛秒激光技術的快速發(fā)展，飛秒激光微納制造技術日趨成熟。該技術具有加工精度高，質量好，能夠實現三維加工等優(yōu)點，被廣泛應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間內注入到焦點區(qū)域的材料內，有效抑制了加工過程中熱效應的影響，屬于冷加工技術。近年來，人們利用飛秒激光微納制造技術在光纖表面或內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域也得到廣泛應用。本文利用飛秒激光微納制造技術構造了一種能夠用于溫度與應力同時測量的MZI。介紹了傳感頭的制作方法，分析了該結構實現溫度和應力同時測量的原理，實驗測量了該傳感器溫度靈敏度與軸向應力靈敏度。

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、光纖拉錐技術與光纖熔接技術制作了圖1所示的新型光纖溫度和應力傳感器探頭。首先，把普通單模光纖剝去涂覆層，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上；然后，用波長800nm、脈沖寬度35fs、重復頻率為1KHz的飛秒激光經過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，通過顯微鏡頂端CCD實時觀察光纖端面的變化，在單模光纖端面中心加工出一個凹形槽， 利用光纖熔接機將它與另外一個端面平滑的單模光纖熔接起來，進行可控光纖拉錐，在光纖內部形成一個長度理想的空氣腔，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(Fujikura FSM-100P+)把它與普通單模光纖再熔接起來，構成一個理想的傳感器探頭。

圖1 飛秒激光在光纖中加工的微腔結構與光傳輸示意圖

1.2 傳感原理分析

在圖1中，由于在光纖內部形成了一個空氣腔和對光纖進行了拉錐，使得原來在光纖內部傳播光的模式發(fā)生了改變。光經過纖芯、空氣腔和錐形光纖時被分為兩部分，一部分沿包層傳播，另外一部分在空氣腔內傳播，空氣腔中的模與包層模會形成干涉；同時光在直徑較細與較粗的光纖連接處，包層模和纖芯模也會形成干涉。選擇好參數后最終形成一個馬赫澤德干涉儀，透射譜就會形成一個穩(wěn)定的分布。當外界條件(例如溫度或應力)改變時，會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發(fā)生線性改變。通過測量諧振峰值波長的改變，可以進行溫度或應力等物理量的測量。設空氣腔和包層的光表示為Iair和Iclad，經過空氣腔后兩束光會發(fā)生干涉。干涉強度可表示為：

(1)

λ為入射光的波長，L為空氣腔的腔長，為纖芯與空氣腔的有效折射率差。設L為常數，當兩束光滿足馬赫澤德干涉儀條件時，可以推導出諧振峰值波長隨溫度變化的關系[10]：

(2)

(3)

(4)

同樣在微拉過的光纖與普通光纖連接處，較細光纖纖芯和包層傳輸的光會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。我們取其中兩個對溫度與應力比較敏感的諧振峰波長作為測量對象，通過監(jiān)測它們的波長變化量，找出波長變化量與溫度和應力之間的對應關系，可以寫成下面變化關系矩陣：

(5)

△λ1和△λ2是選定的兩個諧振峰波長的變化量，kT1KT2和kε1Kε2分別表示兩個峰對應的溫度和應力測量靈敏度。△T和△ε分別表示光纖的溫度和軸向應力的變化量。通過對這個矩陣進行反變換，能夠獲得溫度和軸向應力的同時測量的關系式：

(6)

2 實驗結果與分析

2.1 傳感器探頭干涉光譜的測量

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，在沒有施加軸向應力的情況下，測得的透射譜如圖2所示，透射譜是一個穩(wěn)定的分布。與文獻[10]相比，我們這個結構由于發(fā)生了兩次干涉，獲得更多光譜諧振峰，為進行多參量同時測量提供了更多的選擇。在后面實驗中，我們選擇圖中dip1與dip2這兩個強度較大、波長相隔較遠的兩個諧振峰值波長作為測量對象進行實驗研究。

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量與功率分布，把圖2的波譜通過傅里葉變換得到了圖3的空間頻譜。從圖中可以分析，第一個功率強度峰在零點，涉及到的是纖芯模。非零點的功率強度分布峰是纖芯模與包層模相互耦合作用的結果。圖中第二個強度分布峰是纖芯模與低階包層模耦合作用的結果。圖中多個較小的強度峰對應高階包層模。纖芯模與高階包層模之間的那些干涉也修飾了整個干涉的包絡，對整個穩(wěn)定的干涉分布均作出了貢獻。

2.2 溫度與應力同時傳感測量

光纖傳感實驗裝置如圖4所示，實驗裝置包括寬帶光源(BBS)、光譜分析儀(AQ6370D)、精密可控溫度爐(GSL-1600X，溫度精度為±1℃)、兩個平臺一個固定平臺和一個可以移動平臺。利用溫度爐進行溫度傳感測量實驗，利用可移動平臺進行應力測量實驗。

圖4 光纖傳感測量的實驗裝置示意圖

在溫度測量實驗時：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據，傳感器在每一個溫度測量點保持30min，以保證測量數據的準確性。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變化的線性擬合圖

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

圖7 不同軸向應力下的透射譜波形變化圖

圖8 不同軸向應力下諧振峰值波長變化的線性擬合圖

應力測量實驗的透射譜波形變化圖如圖7所示，發(fā)現當應力增加時波形整體向右漂移(紅移)。而且波形整體向上還有一定的漂移，說明諧振峰損耗幅值在軸向應力變化時會變化，但損耗峰幅值變化幅度都很小，相較于初始損耗幅值來說變化不大，不會影響它作為應力傳感測量的性能。由于應變是在彈性范圍內，因此不會造成損耗峰幅值有太大的變化，也不會影響光纖傳感器的強度與特性。應力變化造成的諧振峰值波長變化的線性擬合如圖8所示，兩個峰的線性擬合度分別達到了0.996和0.984，說明諧振峰值波長與光纖軸向應力之間存在比較好的線性度，但應力引起的諧振峰值波長變化值較溫度的小，說明應力測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，與其他類似結構應力器件的靈敏度基本相當[10]，與理論分析計算的結果吻合。

根據不同的溫度和軸向應力的靈敏度可以寫出測量矩陣：

(7)

利用矩陣逆變換方法，光纖器件的溫度變化與軸向應力變化可以利用下面矩陣獲得：

(8)

4 結論

利用飛秒激光制作了一款基于光纖內部空氣微腔的光纖馬赫澤德干涉儀(MZI)，該干涉儀能夠用來進行溫度與軸向應力同時傳感測量。光纖內部的空氣微腔和粗細光纖的熔接是利用飛秒激光微加工技術與光纖熔接技術共同實現的。該器件的透射譜有多個穩(wěn)定的諧振峰，一些諧振峰峰值有較好的溫度與應力敏感性。通過選擇其中兩個諧振峰峰值波長變化進行實驗研究，獲得較高的溫度靈敏度(40.4 pm/℃和52.1 pm/℃)和應力靈敏度(0.32 pm/με和0.38 pm/με)，說明利用該器件可以實現溫度與應力的同時測量。這種光纖在線結構的馬赫澤德干涉儀構成的溫度傳感器具有體積小、結構簡單、靈敏度高、實用性強的特點。

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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2015年優(yōu)秀創(chuàng)新團隊項目資助(T201502)，湖北師范大學研究生教育教學改革研究與實踐項目(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