[发明专利]基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制造方法

说明书

本发明公开了一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制作方法，包括依次连接的输入单模光纤、多段无芯光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段无芯光纤与上一段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段无芯光纤对轴熔接在一起，所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯之间通过光刻写直波导相连接，沿所述直波导光刻写光纤布拉格光栅。本发明通过飞秒激光在错位光纤结构上制作FBG，增加结构对应变的响应，使此结构上的FBG应变灵敏度高于普通石英光纤上制作的FBG。

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于错位熔接无芯光纤的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)应变传感器及其制造方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)是一种通过一定方法使光纤纤芯折射率沿轴向发生周期性调制分布的无源滤波器件，以其波峰峰位检测法有效提高了传感测量系统探测的灵敏性。随着飞秒激光技术在材料微加工处理领域的广泛应用，采用飞秒激光逐点直写FBG由于其快速稳定的优势，逐渐成为光纤光栅制作的主要方法。飞秒激光与透明介质发生作用，通过非线性效应诱导纤芯折射率改变进行光栅刻写，不要求光纤具有强的光敏性，而且刻写光栅具有高温度稳定性、窄线宽和大折射率调制等特性。

1978年，K.Hill等人使用488nm氩离子激光干涉驻波法在沿掺锗光纤纤芯轴向上形成周期性的折射率调制区域，制成了第一根光纤光栅。由于所利用的干涉驻波法对激光光源要求较高，制备效率较低，加工的光纤光栅光谱特性较差。Kondo等人在1999年首次提出了飞秒激光逐点刻写技术，开启了光纤光栅刻写的新纪元，光纤光栅的刻写不再受限于相位板，只需要调整平台移动速度与激光频率即可实现不同波长FBG的制作。2004年，Martinez等人在普通单模光纤上实现了C波段上一、二、三阶谐振的FBG制作。M.Aslund等人于2008年在单模光纤纤芯材料中利用800nm飞秒激光器逐点刻写法实现了FBG结构。经过不断的研究创新和积累，飞秒激光技术突破了紫外激光刻写技术的限制，已经成功的在各种类型光纤中刻写光栅结构，使FBG的结构类型多样化，为实际应用研究提供了更为丰富广泛的选择。2015年，Jiang Nuan等人腐蚀单模光纤包层，在这些不同包层直径的光纤中刻写FBG，研究了包层直径与FBG应变灵敏度之间的关系。实验结果表明，包层直径从125μm降至57μm，应变灵敏度由0.578pm/με提升至2.57pm/με。2017年，Yang Tingting等人基于单多单光纤结构，成功在多模光纤内部制备了FBG并研究了高温对其应变灵敏度的影响，实验得到在温度700℃时其应变灵敏度可达1.66pm/με。2021年S.Sridhar等人将MoS₂涂敷于去除了包层，仅留带有FBG的纤芯上，成功大幅提升了FBG的应变灵敏度，但由于光纤结构被严重破坏导致此传感器强度极低。

综上所述，目前为止对提高FBG应变灵敏的方法进行了多种尝试，但绝大部分具有显著提升的方法有着要求较高的前提条件或复杂的操作，不利于制作的同时还会严重影响光纤结构的稳定性与强度，不利于实际应用。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制造方法，有效提高了石英光纤上FBG的应变灵敏度，容易制作且结构稳定可重复性高。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何增强FBG的应变灵敏度，通过飞秒激光在错位光纤结构上制作FBG，增加结构对应变的响应，使此结构上的FBG应变灵敏度高于普通石英光纤上制作的FBG。