[发明专利]基于长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对温度和应变进行测量的方法，特别涉及一种基于长周期光纤光栅和细芯光纤的温度与应变测试方法。

背景技术

光纤光栅在光纤激光器和光纤传感领域的研究和应用非常重要，光栅周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅(Long period fibergrating,LPFG)，其特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间耦合，基本无后向反射光，属于透射型带阻滤波器。与光纤布拉格光栅相比(FiberBragg grating,FBG)，长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，具有更大的温度灵敏度系数，作为温度传感器能够对800℃的高温进行测量；同时，在光纤激光器领域，利用其敏感特性可以对透射谱峰进行调谐，作为可调谐滤波器能够实现波长可切换激光输出。因此，长周期光纤光栅具有更多的优点，在光纤传感和光纤激光领域具有更大的发展潜力和应用前景。A.M.Vengsarkar等人于1996年首次在载氢光纤上成功刻写长周期光纤光栅，在此基础上，国内外对长周期光纤光栅的制作方法进行了全面的研究，在1200-1600nm范围内实现了LPFG的制备，但是在1800-1900nm光谱范围内制备LPFG仍然鲜有报道，而该波段光对大气和烟雾的穿透能力强，在军事上可用于激光测距和激光雷达，在石油开采、天然气管道泄露探测、大气中温室气体探测等领域都具有重大的研究意义和广阔的应用前景。

相比于以上介绍的长周期光纤光栅的传统制备方法，利用飞秒激光光源，采用逐点刻写方法在各种光纤内制作布拉格光栅用于光纤传感和光纤激光等领域的研究已经成为热点。飞秒激光加工技术具有传统激光加工技术中加工高精度、操作简便、效率高的技术特点，又凭借其飞秒量级的超短脉宽和帕瓦量级的超强峰值功率在光纤微纳材料的高精密、高分辨率和低损伤的加工中显示出其独特的优势。利用飞秒激光脉冲照射硅基材料能产生永久性的折射率变化，采用飞秒激光直写或者相位掩模技术调制纤芯折射率，可在光纤中制造出光纤光栅结构。此方法不需要光敏光纤，光栅周期可以灵活选取，并且刻写的光栅具有很高的热稳定性。综上所述，飞秒激光加工技术已经成为现代工业加工中的研究热点之一，国内外研究机构采用飞秒激光加工技术制备长周期光纤光栅已经取得了一定的研究成果。

基于飞秒激光制备光纤光栅主要有掩模法和直写法，掩模法是指将掩模板放置于光纤上方，采用飞秒激光照射工作波长为800nm的掩模板，使光纤纤芯发生折射率变化。虽然该方法成栅一致性较好，但是由于掩模板成本较高，且制备LPFG灵活性较差。1999年，日本京都大学的Yuki Kondo等人将中心波长800nm，脉宽120fs，重复频率为200kHz的飞秒激光用20×的显微物镜聚焦到标准单模光纤(Single mode fiber,SMF)纤芯内刻出周期为460μm，长度约3mm的长周期光纤光栅，损耗峰波长在1320nm附近，透射强度峰值为-15dB(反射率为96.84％)，对该光栅的热稳定性研究结果表明在温度小于500℃时损耗峰波长与未进行热处理前的相同，从而证明该刻写方法具有很高的热稳定性。2005年，M.Dubov等人使用352nm波段飞秒激光器采用逐点刻写法在普通单模光纤(SMF-28e)上刻写得到长周期光纤光栅，其在1380nm附近谐振峰深度达到近-30dB。2006年,该团队又使用800nm飞秒激光器刻写得到长周期光纤光栅，谐振峰深度约为-14dB。2005年，Kalachev等人使用264nm飞秒激光器在载氢后的普通单模光纤中刻写得到谐振峰深度为-25dB的长周期光纤光栅，谐振波长为1500nm。2006年南开大学N.Zhang等人利用800nm飞秒激光在SMF-28e锗硅光纤内成功写入了强度为8dB的LFBG，但是其透射光谱只有一个波长在附近的谐振主峰，且光谱后向反射损耗较大。2006年，B.Gilberto等人首次用264nm飞秒激光逐点扫描光子晶体光纤写出强度达20dB的长周期光纤光栅，谐振波长出现在1500-1600nm范围。2009年香港理工S J Liu等人将波长800nm，重频1kHz的脉冲激光通过显微镜聚焦，在SMF-28e光纤上实现了线宽小于10nm，谐振深度为15dB的LPFG；2010年该团队提出了一种利用飞秒激光在光子晶体光纤上写制结构型长周期光纤光栅的方法，获得了谐振波长为1550nm的透射峰。LPFG的栅区长度只有4mm，光栅谐振强度大于20dB，器温度和拉伸应变灵敏系数分别为7.81pm/℃，-1.91pm/με。