[发明专利]一种啁啾光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪弯曲传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种啁啾光纤布拉格光栅法布里‑珀罗干涉仪弯曲传感器，属于光纤法布里‑珀罗干涉仪传感器技术领域，包括单模光纤，单模光纤的纤芯两侧设有啁啾光纤布拉格光栅，所述啁啾光纤布拉格光栅所在平面平行于所述单模光纤纤芯的轴线，两个啁啾光纤布拉格光栅的周期变化方向相同，且两个啁啾光纤布拉格光栅之间具有一定的前后错位距离，两个啁啾光纤布拉格光栅反射的光在纤芯中传输，光栅反射的光的波长相同，其前后错位距离使两束反射光形成了光程差，最终产生了干涉现象，构成了光纤法布里‑珀罗干涉仪，光栅的前后错位距离即为干涉腔长。本发明的制备方法方便快捷，且无需特种光纤，只用到普通的单模光纤，成本较低，有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于光纤法布里-珀罗干涉仪传感器技术领域，具体涉及一种啁啾光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪弯曲传感器及其制备方法。

背景技术

光纤传感器具有体积小、质量轻、几何结构具有可调性，耐高温，抗电磁干扰，波分复用，可适用于远距离传输等优势，现已被应用在航空航天，桥梁隧道，输电线路，地下油井和医学传感等领域。光纤干涉仪传感器由于制备工艺简单，器件成本低而在近年来发展迅速。光纤干涉仪利用光纤受外界物理场的扰动如弯曲等使在其内部传输的光波相位或能量等参数发生变化,通过测量响应的光波参数就可以获得外界物理场的变化情况。与其它类型的光纤传感器相比,光纤干涉仪传感器由于采用了干涉技术,具有较高的检测灵敏度,且探头形式灵活多样,可应用于不同的测量环境,响应速度较快。光纤干涉仪主要有法布里-珀罗(FP)干涉仪、迈克尔逊Michelson)干涉仪、马赫-曾德尔(MZ)干涉仪、和萨格纳克(Sagnac)干涉仪,相比于后三种干涉仪,法布里-珀罗干涉仪的结构简单,制备方法多样,其应用也更为广泛。

光纤弯曲传感器在结构健康检测、航空航天和机器人技术等许多场景中都有广泛的应用。目前，大多数光纤弯曲传感器由于其对称的结构难以感知不同的弯曲方向，且由于光纤的热光效应，在光纤的弯曲传感测量中易受温度带来的影响，温度交叉敏感度较高，影响曲率的精确测量。

因此，到目前为止，大多数报道的光纤弯曲传感器存在如易受温度交叉敏感影响，难以辨别弯曲方向的缺点。基于错位并行啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)构成的光纤法布里-珀罗干涉仪弯曲传感器制备方法简单，可辨别弯曲方向且不受温度交叉敏感度的影响，可显著改善目前光纤弯曲传感器的传感性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种通过飞秒激光逐点直写法在单模光纤(SMF)上刻写一对错位并行的CFBG构成光纤法布里-珀罗干涉仪的方法，通过该方法制备的啁啾光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪弯曲传感器可辨别弯曲方向且不受温度交叉敏感影响；通过调控SMF纤芯内两个CFBG的前后错位距离，具有不同自由光谱区的啁啾光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪被制造出来，在约12nm带宽的CFBG反射谱上获得了若干个干涉波谷；干涉波谷能量强度与两个CFBG反射能量差相关，CFBG反射能量差越大，干涉波谷能量越高；CFBG反射能量差越小，干涉波谷能量越低；两个CFBG具有一定的初始反射能量差，当光纤发生弯曲时，纤芯两侧的CFBG反射能量发生了不同程度的损耗，这会导致两个CFBG反射的能量差变大或变小，通过测量任意波谷能量的变化大小和趋势，可计算出光纤弯曲的曲率和方向；在外界温度变化过程中，温度只能影响干涉波谷的波长，干涉仪的干涉波谷强度不受影响，因此在曲率测量过程中，传感器不受温度交叉敏感影响。

本发明通过如下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种啁啾光纤布拉格光栅法布里-珀罗干涉仪弯曲传感器，包括单模光纤，所述单模光纤的纤芯两侧设有啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，所述啁啾光纤布拉格光栅所在平面平行于所述单模光纤纤芯的轴线，两个啁啾光纤布拉格光栅的周期和啁啾率相同，且两个啁啾光纤布拉格光栅之间具有一定的前后错位距离，两个啁啾光纤布拉格光栅反射的光在纤芯中传输，光栅反射的光的波长相同，其前后错位距离使两束反射光形成了光程差，最终产生了干涉现象，构成了光纤法布里-珀罗干涉仪，光栅的前后错位距离即为干涉腔长；