[发明专利]级联声致微结构光纤长周期光栅干涉仪

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种基于级联声致微结构光纤长周期光栅的干涉仪，可用于温度、电场、磁场以及液体折射率等物理量的实时监测与测量。

背景技术

光纤光栅是一种新型光子器件，它在沿光纤轴线方向存在周期性的折射率分布，从而能够控制光在光纤中的传播行为。长周期光纤光栅的周期通常在几十微米至几百微米范围内，它能够实现能量从纤芯模式向同向传输的包层模式之间的耦合。实现长周期光纤光栅的方法有很多种，包括准分子激光照射、二氧化碳激光照射、飞秒激光照射、施加周期性压力等，每种写制方法都有其独特的成栅机制。然而由上述方法写制的长周期光纤光栅通常为固化光栅，其光栅周期很难改变，这在很大程度上降低了光栅器件应用的灵活性。

光纤干涉仪是基于光波干涉原理的光纤光学器件，以其高灵敏度而在光学应用领域有着重要的地位。由于外界参量的变化能够导致干涉光相位差的改变，从而引起干涉光谱的移动，因此通过对其干涉光谱峰值波长漂移的监测可以实现对长度、折射率、气流密度、振动及加速度等参量的测量。

目前常用的光纤干涉仪根据其结构可以分为马赫-曾德尔型、迈克尔逊型、萨格纳克型及法布里-珀罗型等。级联长周期光纤光栅干涉仪属于马赫-曾德尔型，由于其综合了长周期光纤光栅和光纤干涉仪的优势，其传输谱对外界参量的改变非常敏感，具有很高的灵敏度和可调谐性，已被广泛应用于滤波、传感等领域。

现有基于级联长周期光纤光栅的马赫-曾德尔干涉仪通常需要通过改变两个长周期光纤光栅的间距和光栅谐振峰的深度来控制干涉条纹的周期和对比度，同时为了产生明显的干涉效应还要保证两个级联的长周期光纤光栅具有完全相同的周期性折射率调制分布。这些对干涉仪特性的调谐、干涉效应的形成和干涉仪的集成化等造成了极大困难，并在很大程度上限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是解决以上基于普通固化级联长周期光纤光栅干涉仪的调谐能力差、干涉效应获得困难和结构复杂的问题，提供一种结构简单、灵活可调、灵敏度高、易于实现的级联声致微结构光纤长周期光栅干涉仪。

本发明提供的级联声致微结构光纤长周期光栅干涉仪，包括光源、3dB耦合器、微结构光纤、两个三维调节架、信号发生器、压电陶瓷片、圆锥形声放大器、声阻尼器、光谱分析仪、连接用单模光纤和导线；两个三维调节架之间固定有一段微结构光纤，在微结构光纤的中间设置有一个声阻尼器，微结构光纤的一端作为末端，其端面镀高反膜，微结构光纤的另一端连接3dB耦合器，3dB耦合器另一侧两个端口用普通单模光纤分别与光源和光谱仪连接；圆形压电陶瓷片的上下两面分别用导线与信号发生器的两极相连，并通过有机胶将圆锥形声放大器粘在压电陶瓷片上，声放大器的锥尖与3dB耦合器及声阻尼器之间的微结构光纤侧向粘贴。

所述微结构光纤由纯石英纤芯和含空气孔阵列包层构成。所述光源为宽带光源。所述光纤敏感区域为声阻尼器和高反膜之间去除涂敷层的由纯石英纤芯和含空气孔阵列包层构成的锥形微结构光纤。

本发明利用压电陶瓷片将交流电信号转化为声波信号进而作用于微结构光纤。通过对外界参量变化时级联声致长周期微结构光纤光栅干涉光谱漂移的监测，可以测量各种物理量、化学量，如应变、压力、气体浓度等。

通过将液晶、磁流体等液体功能材料填充入级联光栅之间的微结构光纤包层空气孔中，环境电场、磁场等发生变化时微结构光纤包层空气孔中的液体折射率会发生相应改变，从而引起干涉光谱的变化，因此通过对干涉光谱的监测可实现对电场、磁场等的测量。

测试原理：

如技术方案所述搭建光纤干涉仪，利用信号发生器产生正弦电信号并通过压电陶瓷片将其转化为声波信号，通过圆锥形声放大器放大后，侧向加载于微结构光纤，从而引起沿光纤轴向折射率的周期性微扰，形成长周期光纤光栅；通过在微结构光纤端面镀高反膜使光波反射回来再次经过声致长周期光栅，形成级联结构，利用声阻尼器使声波作用区域限制于声放大器锥尖和声阻尼器之间的锥形微结构光纤区域；级联光栅的一端连接3dB耦合器，并将光纤固定于三维调节架上；耦合器另一侧的两个端口用普通单模光纤分别与光源和光谱仪连接。光源输出的光经3dB耦合器传输至第一级长周期光栅时，满足相位匹配条件的一部分纤芯模式能量耦合到同向传输的包层模式并在包层中传输，经过传感光纤到达端面，由于高反膜的作用，光波被反射再次经过声致长周期光栅后，一部分包层模式重新耦合回纤芯，并与剩余纤芯模式发生干涉。干涉光经耦合器后，由光谱仪进行监测。

声致长周期光栅的光栅周期等效于光纤中的声波波长，可以由下式计算：