[发明专利]基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器，其特征在于，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤包括FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到传感结构。

2.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤采用SMF-28单模光纤，所述第二单模光纤采用SMF-28单模光纤。

3.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述LPFG结构为采用飞秒激光器的飞秒激光逐线写入的方式加工得到。

4.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，制备得到的双参数传感器能够实现温度与浓度的无传染双参数监测与测量，传感原理如下：

当环境参数发生变化时，光栅周期、栅距等会发生改变，级联结构的透射谱波长也将随之发生漂移；

设外界温度为T，低耦合强度的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏性可表示为：

其中，λ_L是干涉条纹波长，Δm是光纤差分有效群折射率，是光纤纤芯与包层的有效折射率之差，α_T是光纤的热膨胀系数；

FBG反射波长的温度灵敏度为：

其中，λ_B是FBG的干涉条纹波长，ζ_T是光纤的热光系数；

由式和可知，相同温度变化条件下，LPFG与FBG对于温度变化的灵敏度不同，二者的波长漂移量也不同，不存在串扰；

根据耦合模理论，LPFG纤芯传输的基模能量可耦合到同向传输的包层模中，而FBG的光场主要是沿纤芯传输；当外界折射率变化时，LPFG的包层模式有效折射率也会发生改变，引起谐振波长的移动，实现溶液浓度测量，而FBG无法直接感知外界折射率的变化；故在进行浓度测量时，级联结构的两支光栅之间不存在串扰；

设LPFG包层折射率为n₂，当外界环境折射率从n₃变为n′₃时，LPFG谐振波长的漂移量可表示为：

式中，r₂是包层半径，U_∞为0阶第一类贝塞尔函数J₀的m阶根。

设外界温度T和浓度p发生变化时，光纤LPFG和FBG的透射谱波长变化与温度变化ΔT、浓度变化Δp存在如下相关关系：

其中：K₁₁、K₁₂分别为LPFG的温度灵敏系数、浓度灵敏系数；K₂₁、K₂₂分别为FBG的温度灵敏系数、浓度灵敏系数，且由于FBG无法感知外界溶液浓度，故K₂₂＝0；

由可得，LPFG与FBG的温度、浓度、波长漂移存在如下关系：

对求其逆矩阵，可得

由可知，若测得该光纤传感器对温度与浓度变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入计算求解，实现温度与浓度的无串扰双参数监测与测量。

5.根据权利要求1所述的基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将单模光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；

步骤二：利用飞秒激光器的飞秒激光逐线写入的方式加工第一单模光纤，得到光栅周期为200μm的LPFG；

步骤三：利用激光刻写第二单模光纤，得到FBG；

步骤四：利用光纤熔接机将所述LPFG与所述FBG进行级联，得到双参数光纤传感器。

6.根据权利要求5所述的双参数光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。

7.根据权利要求5所述的双参数光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光器的飞秒激光功率设置为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。