本發(fā)明涉及光纖光柵傳感器，特別涉及一種強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作使用方法。

背景技術(shù)：

1、長(zhǎng)周期光纖光柵可根據(jù)其折射率調(diào)制的大小分為強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵和弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵。其中，弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光柵主要是用激光器刻槽方法制作，由于其對(duì)光纖折射率的改變較小，需要較多的周期數(shù)才能完成傳感器的制作，以形成穩(wěn)定的諧振峰，所以該類(lèi)傳感器的傳感區(qū)域長(zhǎng)度較長(zhǎng)。與弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵相比，近年新出現(xiàn)的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵折射率改變較大，通常使用不同種類(lèi)的光纖定長(zhǎng)切割熔接嵌入到單模光纖中，利用兩種不同光纖較大的折射率差實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制，該類(lèi)長(zhǎng)周期光柵的折射率改變很大，可以減少傳感器所需調(diào)制的周期個(gè)數(shù)，從而減少傳感器傳感區(qū)域的長(zhǎng)度。

2、由于，目前的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵，是通過(guò)將不同種類(lèi)的光纖精密定長(zhǎng)切割并拼接制成。拼接法需要多種光纖才能完成傳感器的制作，利用不同光纖自身較大的折射率差實(shí)現(xiàn)強(qiáng)折射率調(diào)制。常利用多模光纖、保偏光纖、空心光纖等光纖嵌入到單模光纖中引入強(qiáng)折射率調(diào)制。chen提出用兩種不同纖芯直徑的多模光纖周期性地嵌入到單模光纖中，利用單模光纖與多模光纖的折射率差異引入強(qiáng)折射率調(diào)制，從而形成一種強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變傳感器(chen?x,chen?w,liu?y,et?al.sensitivity-enhancedstrain?sensor?with?a?wide?dynamic?range?based?on?a?novel?long-period?fibergrating[j].ieee?sensors?journal,2022,22(4):3196-201.)。zhang利用保偏光纖周期性地嵌入到單模光纖中，利用單模光纖與保偏光纖的折射率差異引入強(qiáng)折射率調(diào)制，制備了一種扭轉(zhuǎn)、曲率長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器(zhang?s,geng?t,sun?w.multi-parameter?sensorwith?high?sensitivity?based?on?a?long-period?fiber?grating?prepared?by?apolarization-maintaining?fiber[j].optics?letters,2022,47(9).)。拼接法所制作的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵由于需要多次切割熔接導(dǎo)致傳感器制作重復(fù)性低，機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。

3、另外，相比于目前已有的一些弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵，強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵的應(yīng)變靈敏度也較低，目前弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變傳感器已存在一些增敏方法。長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)由纖芯模式與包層模式的有效折射率差、光柵周期、色散因子、有效折射率調(diào)制深度共同決定，在傳感器受到應(yīng)變時(shí)，纖芯模式與包層模式有效折射率差、光柵周期變化使諧振波長(zhǎng)改變，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感。目前已有的弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵增敏方法主要是通過(guò)增加應(yīng)變過(guò)程中纖芯模式與包層模式有效折射率差的變化量、光柵周期的變化量實(shí)現(xiàn)應(yīng)變?cè)雒簟a提出一種鏈狀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光纖光柵高靈敏應(yīng)變傳感器，鏈狀結(jié)構(gòu)在應(yīng)變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生纖芯微彎效應(yīng)，導(dǎo)致纖芯模式與包層模式有效折射率差的變化更大，將應(yīng)變靈敏度提升到了34.8pm/με(ma?y,li?x,wang?s,etal.highly?sensitive?strain?sensor?based?on?a?long-period?fiber?grating?withchain-shaped?structure[j].applied?optics,2020,59(33).)；xi提出使用三孔光纖制作周期性微孔塌陷的長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變傳感器，由于塌陷區(qū)域的光纖直徑減小，所受的應(yīng)變較大，從而增加了應(yīng)變過(guò)程中光柵周期的變化，將應(yīng)變靈敏度提高到了26pm/με(xi?t,wang?d,mac,et?al.sensing?characteristics?of?collapsed?long?period?fibergratings?in?tri-hole?fiber[j].journal?of?lightwave?technology,2021,39(18):6008-12.)。綜上所述，雖然目前已有一些關(guān)于弱折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵的應(yīng)變?cè)雒舴椒?，但是?qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光柵由于需要引入強(qiáng)折射率調(diào)制，其結(jié)構(gòu)受到限制，難以利用特殊的結(jié)構(gòu)增大應(yīng)變過(guò)程中纖芯模式與包層模式的有效折射率差以及周期的變化，現(xiàn)有增敏方法并不適用于強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光柵應(yīng)變傳感器。

4、綜上所述，目前強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵存在兩類(lèi)問(wèn)題：一是由于目前強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵的制作方法有限，只能通過(guò)不同折射率的光纖連續(xù)拼接完成傳感器的制作，拼接法需要多次的精密切割、熔接，所制作的傳感器重復(fù)性低、制作過(guò)程復(fù)雜。另外，拼接法所制作的傳感器中存在多個(gè)熔接點(diǎn)，在物理量檢測(cè)過(guò)程中，熔接點(diǎn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易斷裂，大幅度降低了傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。二是強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度低，目前的長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變?cè)雒舴椒ú⒉贿m用于強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵中，缺乏相關(guān)的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的應(yīng)變?cè)雒舴桨浮?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種新的強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，以解決現(xiàn)有的強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器制作重復(fù)性低，機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，同時(shí)靈敏度不足的技術(shù)問(wèn)題。

2、為了解決上述問(wèn)題，本技術(shù)提供一種強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，包括順次設(shè)置于光纖上的注光區(qū)、由周期性強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)和周期性非折射率調(diào)制區(qū)組成的傳感區(qū)、收光區(qū)；所述光纖為一根同種且不間斷的光纖，所述周期性強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)和周期性非折射率調(diào)制區(qū)的周期個(gè)數(shù)為3-5個(gè)，所述傳感區(qū)總長(zhǎng)度為1-3mm；所述強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)為彎曲纖芯區(qū)，纖芯彎曲角度必須大于25°，使纖芯中的光束到達(dá)彎曲纖芯時(shí)直接穿出纖芯，進(jìn)入包層中傳輸一段，再返回纖芯，彎曲纖芯形狀可為v形芯或s形芯；所述彎曲纖芯區(qū)的包層呈橢球狀，橢球的長(zhǎng)軸方向與光纖軸向一致，長(zhǎng)度為350μm-450μm，短軸長(zhǎng)度為140μm-160μm，其中，橢球的短軸長(zhǎng)度與應(yīng)變靈敏度成正比，通過(guò)選擇橢球的短軸長(zhǎng)度調(diào)整傳感器應(yīng)變靈敏度。

3、作為優(yōu)選方案，所述光纖纖芯直徑為9μm，包層直徑為125μm，涂覆層直徑為250μm，可采用纖芯居中的單模光纖，纖芯彎曲的角度大于25°，當(dāng)纖芯中的光經(jīng)過(guò)纖芯彎曲處，由于纖芯彎曲的角度較大，光束無(wú)法繼續(xù)沿著纖芯傳輸，從而透過(guò)纖芯到光纖包層傳輸，改變了光束傳播的路徑，同時(shí)由于光纖纖芯與包層存在較大的折射差，以此引入強(qiáng)折射率調(diào)制。當(dāng)彎曲纖芯形狀為v形芯時(shí)，光纖也可采用偏芯光纖，更容易實(shí)現(xiàn)v形彎曲結(jié)構(gòu)，光束穿出彎曲纖芯可通過(guò)更長(zhǎng)一段包層傳輸，進(jìn)一步縮短傳感器調(diào)制區(qū)長(zhǎng)度。

4、作為優(yōu)選方案，所述彎曲纖芯區(qū)的包層呈橢球狀，橢球的長(zhǎng)軸方向與光纖軸向一致，長(zhǎng)度為350μm-450μm，短軸長(zhǎng)度為140μm-160μm。橢球狀結(jié)構(gòu)正好處于纖芯彎曲處，且橢球結(jié)構(gòu)能夠改變光纖的應(yīng)變分布，使應(yīng)變過(guò)程中由彎曲纖芯區(qū)構(gòu)成的折射率調(diào)制區(qū)的長(zhǎng)度變化更小，由直光纖區(qū)構(gòu)成的非折射率調(diào)制區(qū)的長(zhǎng)度變化更大，導(dǎo)致強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)的占空比減小，引入了額外的諧振波長(zhǎng)變化，提高了傳感器的應(yīng)變靈敏度。應(yīng)變過(guò)程中占空比的減小量隨著短軸長(zhǎng)度的增大而增大，傳感器的應(yīng)變靈敏度隨著短軸長(zhǎng)度的增大而增大。

5、作為優(yōu)選方案，所述彎曲纖芯區(qū)的包層呈橢球狀，其中，橢球可設(shè)置為短軸方向非對(duì)稱(chēng)的偏橢球結(jié)構(gòu)，偏橢球結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性可實(shí)現(xiàn)傳感器在曲率檢測(cè)時(shí)的彎曲方向識(shí)別。

6、作為優(yōu)選方案，所述強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，彎曲纖芯區(qū)為強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)，強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)的個(gè)數(shù)決定傳感器長(zhǎng)度以及諧振峰的深度；同時(shí)，強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)的個(gè)數(shù)也決定了傳感區(qū)的長(zhǎng)度，考慮到在減少傳感區(qū)長(zhǎng)度的同時(shí)，光譜中有明顯的諧振峰，強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)域的個(gè)數(shù)可設(shè)置為3-5個(gè)。

7、作為優(yōu)選方案，所述強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，光柵周期會(huì)直接影響諧振峰的位置以及傳感器的長(zhǎng)度，考慮到在減少傳感器的同時(shí)，需要諧振峰的位置調(diào)整至1510nm-1610nm波段，光柵周期可設(shè)置為500μm-800μm。

8、作為優(yōu)選方案，所述強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，彎曲纖芯區(qū)的包層呈橢球狀，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度決定了強(qiáng)折射率調(diào)制深度，強(qiáng)折射率調(diào)制深度決定了諧振峰的深度和位置，為了在1510nm-1610nm波段出現(xiàn)穩(wěn)定的諧振峰，可將長(zhǎng)軸長(zhǎng)度設(shè)置為350μm-450μm；短軸長(zhǎng)度決定了傳感區(qū)的應(yīng)變分布，應(yīng)變分布決定了應(yīng)變過(guò)程中強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)域占空比的變化量，從而決定了應(yīng)變靈敏度。而制作過(guò)程長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度會(huì)互相影響，當(dāng)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為350μm-450μm時(shí)，短軸長(zhǎng)度可設(shè)置的范圍為140μm-160μm，可以在該區(qū)域調(diào)節(jié)短軸長(zhǎng)度改變傳感器應(yīng)變靈敏度。

9、本發(fā)明又一目的在于提供一種強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的制作使用方法。

10、當(dāng)彎曲纖芯形狀為v形芯時(shí)，所述傳感器的制作方法為：首先，光纖中間部分剝除3cm長(zhǎng)的涂覆層，將光纖左右兩端固定在co2激光器下方三維控制臺(tái)的夾具中，通過(guò)調(diào)整三維控制臺(tái)將涂覆層剝除的光纖區(qū)域正對(duì)于激光焦點(diǎn)處，光纖的一端懸掛砝碼使其繃直，激光器加工4個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽間隔為1200μm，凹槽的頂端寬度為165μm，深度為47μm；其次，將刻蝕好凹槽的光纖放入熔接機(jī)中，通過(guò)熔接機(jī)兩端夾具的移動(dòng)，將凹槽正對(duì)于熔接機(jī)電極，在光纖上的凹槽處熔融放電推球，制作出v形纖芯的球形結(jié)構(gòu)，光纖球的短軸長(zhǎng)度為140-157μm，光纖周期縮短為960μm；每次推球完成后，取出光纖并將熔接機(jī)復(fù)位，復(fù)位完成后重新將光纖放入熔接機(jī)中，對(duì)下一個(gè)凹槽進(jìn)行加工，重復(fù)上述步驟，在光纖上的所有凹槽處熔融放電推球，完成傳感器的制作。

11、當(dāng)彎曲纖芯形狀為s形芯時(shí)，所述傳感器的制作方法為：首先，光纖中間部分剝除3cm長(zhǎng)的涂覆層，將光纖左右兩端固定在co2激光器下方三維控制臺(tái)的夾具中，通過(guò)調(diào)整三維控制臺(tái)將涂覆層剝除的光纖區(qū)域正對(duì)于激光焦點(diǎn)處，光纖的一端懸掛砝碼使其繃直，激光器在光纖的上側(cè)加工凹槽，凹槽的個(gè)數(shù)為5個(gè)，凹槽深度為35μm，每個(gè)凹槽間隔600μm，光纖上側(cè)加工完成后，將光纖兩側(cè)夾具同時(shí)旋轉(zhuǎn)180°，使光纖下側(cè)向上，并將co2激光器刻蝕凹槽的位置向右移動(dòng)50μm，進(jìn)行光纖下側(cè)刻槽，經(jīng)過(guò)激光器加工后，光纖上下兩側(cè)形成了5個(gè)錯(cuò)位的凹槽結(jié)構(gòu)；其次，將刻蝕好錯(cuò)位凹槽的光纖兩端，放入光纖熔接機(jī)兩端夾具中，通過(guò)夾具移動(dòng)控制光纖位置，將錯(cuò)位凹槽結(jié)構(gòu)置于熔接機(jī)的兩個(gè)電極中間，使用熔接機(jī)熔推錯(cuò)位凹槽處，一組錯(cuò)位凹槽熔推完成后，將光纖取出，熔接機(jī)復(fù)位后再進(jìn)行下一組錯(cuò)位凹槽熔推，重復(fù)上述步驟，完成傳感器的制作，熔接機(jī)熔推后，錯(cuò)位v槽處的纖芯呈s形結(jié)構(gòu)，傳感器的周期縮短為530μm。

12、作為優(yōu)選方案，強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的使用方法為：所述傳感器注光區(qū)與光源相連，收光區(qū)與光譜儀相連，將傳感器兩端夾持在左右位移臺(tái)夾具中，控制位移臺(tái)向兩側(cè)移動(dòng)，在傳感區(qū)兩端施加應(yīng)變，記錄各應(yīng)變下光譜儀中的諧振波長(zhǎng)，根據(jù)諧振波長(zhǎng)解調(diào)得到實(shí)際的應(yīng)變大小。

13、作為優(yōu)選方案，強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的使用方法為：所述傳感器注光區(qū)與光源相連，收光區(qū)與光譜儀相連，將傳感器用光學(xué)膠水固定于塞尺片的下方，并將塞尺片兩端放置于支撐架上，傳感區(qū)位于螺旋微分頭的正下方，轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋微分頭，壓迫塞尺片發(fā)生彎曲，帶動(dòng)傳感區(qū)發(fā)生彎曲，記錄各曲率下光譜儀中的諧振波長(zhǎng)，根據(jù)諧振波長(zhǎng)解調(diào)得到實(shí)際的曲率大小。

14、作為優(yōu)選方案，強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的使用方法為：所述傳感器注光區(qū)與光源相連，收光區(qū)與光譜儀相連，將傳感器兩端夾持在左右光纖夾具中，并將傳感區(qū)緊貼于溫度臺(tái)表面，控制溫度臺(tái)的溫度變化，改變傳感區(qū)的溫度，記錄各溫度下光譜儀中的諧振波長(zhǎng)，根據(jù)諧振波長(zhǎng)解調(diào)得到實(shí)際的溫度大小。

15、作為優(yōu)選方案，強(qiáng)折射率調(diào)制長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的性能調(diào)整方法為：所述強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，彎曲纖芯的個(gè)數(shù)影響傳感器長(zhǎng)度以及諧振峰的深度，彎曲纖芯的個(gè)數(shù)為3-5個(gè)，通過(guò)改變周期的個(gè)數(shù)調(diào)整傳感器諧振峰的深度以及傳感器的長(zhǎng)度；所述傳感器的光柵周期為500μm-800μm，通過(guò)選擇光柵周期調(diào)整諧振峰的位置以及傳感器的長(zhǎng)度；所述彎曲纖芯區(qū)的包層呈橢球狀，橢球的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為350μm-450μm，短軸長(zhǎng)度為140μm-160μm，通過(guò)選擇橢球長(zhǎng)軸長(zhǎng)度調(diào)整諧振峰的深度和位置，通過(guò)選擇橢球短軸長(zhǎng)度調(diào)整傳感器的應(yīng)變靈敏度。

16、本發(fā)明的有益效果在于：

17、1.利用彎曲纖芯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，該傳感器實(shí)現(xiàn)了超短的傳感區(qū)域長(zhǎng)度。

18、2.利用彎曲纖芯結(jié)構(gòu)制作強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，其制作不需要使用連續(xù)精密的切割、拼接等加工方法，大幅度提高了傳感器制作的可重復(fù)性。

19、3.本技術(shù)制作的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，傳感器中不存在熔接點(diǎn)，傳感器的機(jī)械強(qiáng)度更強(qiáng)，在檢測(cè)各種物理量的時(shí)候結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、不易斷裂。

20、4.本技術(shù)提供的彎曲纖芯結(jié)構(gòu)所制作的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器只需要用一種光纖即可完成傳感器的制作，不需要多種不同種類(lèi)的光纖進(jìn)行連續(xù)的拼接。

21、5.本技術(shù)提供的強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵，彎曲纖芯處的包層呈橢球形結(jié)構(gòu)，通過(guò)橢球結(jié)構(gòu)改變傳感器的應(yīng)變分布，以在應(yīng)變過(guò)程中強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)域與非折射率調(diào)制區(qū)域發(fā)生非等比例的長(zhǎng)度變化，改變了強(qiáng)折射率調(diào)制區(qū)域的占空比，引入了額外了諧振波長(zhǎng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光柵應(yīng)變傳感器的高靈敏性；此外通過(guò)使彎曲纖芯處的包層呈橢球形結(jié)構(gòu)，建立了短軸長(zhǎng)度與應(yīng)變靈敏度的關(guān)系，可以通過(guò)控制橢球結(jié)構(gòu)的短軸改變傳感器的應(yīng)變靈敏度，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)折射率調(diào)制型長(zhǎng)周期光纖光柵應(yīng)變傳感器的靈敏度可調(diào)，可集成于醫(yī)療器械、電子芯片、航空航天精密儀器等待測(cè)物結(jié)構(gòu)體積小、應(yīng)變波動(dòng)微弱的場(chǎng)景，進(jìn)行實(shí)時(shí)高靈敏應(yīng)變監(jiān)測(cè)。