CN104776872A - 一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器及光栅湿腐蚀制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器及光栅湿腐蚀制备方法，属于传感器技术领域，包括沿光的传播方向依次布置的宽带光源，光纤隔离器，全光纤耦合器，光纤布拉格光栅和光谱仪，所述宽带光源发出的光波经所述光纤隔离器后进入所述全光纤耦合器，经所述全光纤耦合器后分光产生两路光，一路光传入所述光纤布拉格光栅，由所述光纤布拉格光栅反射后的光波经所述全光纤耦合器后由所述光谱仪接收，另一路光进入所述匹配液。与现有技术相比，本发明的传感***采用橄榄型光纤布拉格光栅作为传感头，具有体积小、成本低、抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、对测量环境影响小，可实现多参量同时测量等优点。

Description

一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器及光栅湿腐蚀制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器及光栅湿腐蚀制备方法。

背景技术

随着人类社会由工业化时代向信息化时代迈进，作为信息采集***首要部件的传感器成为制约其发展的关键，从宇宙探索、海洋开发，到国防建设、工农业生产；从环境保护、灾情预警，到包括生命科学在内的每一项现代科学研究；从生产过程的检测与控制，到人民群众的日常生活等等，几乎都离不开传感器和传感器技术。事实证明，传感器和传感器技术已渗入到新技术革命的所有领域，涉及国民经济的每个部门，进入了大众生活的各个方面。现有的传感器有的灵敏度不高、有的易受电磁场干扰，更为重要的是不能同时实现多个参量的同时测量。光纤布拉格光栅在本质上对温度、应力、横向压力、折射率等物理量同时敏感，原则上可实现多参量同时测量。但单个光纤布拉格光栅只有一个反射峰，多个影响因素同时存在时，其本身无法分辨谐振波长的漂移或反射峰的损耗来自哪个参量，因而限制了该种传感器在实际中大规模应用，导致光纤布拉格光栅传感器的多参量测量技术成为近年来传感技术领域的研究热点。

为了实现光纤布拉格光栅多参量同时测量，已提出两类解决方案。（1）多传感器复用法，如：1997年，饶云江等基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪实现了应变、振动和温度三参量的同时测量。2002年，Aradujo等利用写于等边三角形光纤上的三个光纤布拉格光栅实现了曲率、面曲率和温度的同时测量。2004年，张伟刚等利用斜向粘贴在固定端与扭梁的交界处的光纤布拉格光栅实现了扭转、扭矩和温度的同时测量。2014年，上海理工大学陈海云博士利用镀PAH/PAA薄膜LPFG、薄包层LPFG和镀TiO2/SnO2复合薄膜实现了对PH值、NaCl溶液浓度和相对湿度的传感。（2）单传感器法，如：1996年，Udd等人利用光纤的双折射效应，在高双折射光纤内写入双重光栅，利用谐振峰的***现象首次实现了温度和三个轴向应变的同时测量。2007年，Zhan等利用800nm飞秒激光在多模光纤中写入非对称光纤布拉格光栅，光栅的透射谱中有多达10个谐振损耗峰，由于温度、应变、压强、弯曲、折射率和液压等参量引起损耗峰波长漂移的灵敏度不同，实现了多参量测量；同年该研究组利用红外800nm飞秒激光在保偏单模光纤中写入光纤布拉格光栅，同时剥去大部分包层厚度，实现了弯曲、应变和折射率的同时测量。上述已提出的两类方案中，多传感器复用法结构复杂，成本高；单个传感器法，有些制作工艺复杂，有些复制性差，不具应用性。上述问题，亟待解决。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器及光栅湿腐蚀制备方法，可用于多参量同时测量。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器，包括沿光的传播方向依次布置的宽带光源，光纤隔离器，全光纤耦合器，光纤布拉格光栅和光谱仪，所述宽带光源发出的光波经所述光纤隔离器后进入所述全光纤耦合器，经所述全光纤耦合器后分光产生两路光，一路光传入所述光纤布拉格光栅，由所述光纤布拉格光栅反射后的光波经所述全光纤耦合器后由所述光谱仪接收，另一路光进入所述匹配液。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述宽带光源由LED光源驱动和LED二极管构成。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述光纤布拉格光栅采用橄榄型光纤布拉格光栅作为传感头，所述光纤布拉格光栅包括腐蚀段光纤布拉格光栅和非腐蚀段光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅使用KrF准分子激光器进行刻写，采用相位掩膜法。

一种橄榄型光纤布拉格光栅的湿腐蚀制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将一根单模光纤，经过两周1500psi气压环境载氢后，采用相位掩膜法制作成长度为1 cm的光纤布拉格光栅；

2）对光纤布拉格光栅进行退火处理；

3）把已制备的光纤布拉格光栅的两端放入装有由40%的氢氟酸和纯净水按1:2配比得到的溶液的塑料材质的D形槽中，通过氢氟酸极强的吸附作用将光纤布拉格光栅的两端腐蚀掉；

4）光纤布拉格光栅的两端被完全腐蚀，而中间未浸入部分边缘区域渐变腐蚀，从而得到橄榄型光纤布拉格光栅。

这样设置，将一根光纤布拉格光栅的长度分成三段，通过在两端长度区域内腐蚀掉一部分纤芯直径，中间长度区域不腐蚀。由于两端腐蚀段渐变腐蚀的效果，最终形成橄榄型结构。这样在光谱中，反射峰除了主峰外，产生多个次反射峰，而主反射峰和多个次反射峰对不同参量的传感灵敏度不同，可用于多参量测量。同时此种结构既可以避免光栅之间的熔接，降低损耗，又可以大大减小传感头的体积，对局部测量能提高测量精度。

本发明的有益效果是：光纤布拉格光栅是在光纤上利用紫外光照射实现折射率调制得到的，一方面具有抗腐蚀、抗电磁干扰，同时其以波长编码可以免受光源波动的影响，从而达到提高测量稳定性的目的；另一方面，其反射谱是纤芯基模与反向传输的芯模耦合得到的，带宽小到亚微米量级，具有很高的参量测量灵敏度；无光栅之间的熔接，传感头体积小，对局部测量能提高测量精度；制作简单、成本低。

附图说明

图1 是本发明基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器的构造示意图。

图2 是本发明的光纤布拉格光栅反射谱。

图3 是本发明的橄榄型光纤布拉格光栅光谱图。

图4 是本发明的橄榄型光纤布拉格光栅照片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见图1 至图4所示，本发明基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器及光栅湿腐蚀制备方法的一种具体实施例。以下结合附图对本发明的制备进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器，包括沿光的传播方向依次布置的宽带光源，光纤隔离器3，全光纤耦合器4，光纤布拉格光栅5和光谱仪6，所述宽带光源发出的光波经所述光纤隔离器3后进入所述全光纤耦合器4，经所述全光纤耦合器4后分光产生两路光，一路光传入所述光纤布拉格光栅5，由所述光纤布拉格光栅5反射后的光波经所述全光纤耦合器4后由所述光谱仪6接收，另一路光进入所述匹配液7。

上述技术方案中，所述宽带光源由LED光源驱动1和LED二极管2构成。

上述技术方案中，所述光纤布拉格光栅5采用橄榄型光纤布拉格光栅作为传感头，所述光纤布拉格光栅5包括腐蚀段光纤布拉格光栅51和非腐蚀段光纤布拉格光栅52。

如图1所示，本发明所用的传感头是一根两端腐蚀光纤布拉格光栅，其是利用普通的单模光纤，经过两周1500psi气压环境载氢后，采用相位掩膜法制作长度为1 cm的普通光纤布拉格光栅，其反射谱如图2所示，谐振波长为1527.48 nm，3dB带宽为0.19 nm,为了使之有较好的稳定性，进行了退火处理。

把已制备的光纤布拉格光栅两端放入装有由40%的氢氟酸和纯净水按1:2配比得到的溶液的塑料材质的D形槽中，同时利用光谱仪实时监测腐蚀过程中光纤布拉格光栅反射谱的变化。由于光纤包层和纤芯基质材料二氧化硅对氢氟酸极强的吸附作用， 光纤布拉格光栅两端长度区域完全腐蚀，而中间未浸入部分边缘区域渐变腐蚀，从而在一定条件的控制下，得到橄榄型光纤布拉格光栅，腐蚀40分钟后，把光栅放入去离子水中漂洗晒干后，光谱如图3所示。

如图3所示，原光纤布拉格光栅的一个反射谱，在腐蚀其两端长度后，由于结构的特殊性出现多个次谐振峰。每个反射峰对不同参量的传感灵敏度不同，从而可以用于同时测量多个参量。

 将腐蚀后的光纤布拉格光栅用去离子水清洗，晒干后放在显微镜下观察，得到图4所示的照片。

本发明专利由于对光纤布拉格光栅采取两端腐蚀的操作，其能同时测量多个参量的变化。同时由于采用整根光纤布拉格光栅两端腐蚀，相当多个光栅。和已报导的复用多光栅同时多参量测量方法相比具有体积小、成本低的优势。最后此方法与我们课题组前面提出的单根光栅半镀膜方法相比具有制作简单的优点，因为要对圆柱形光纤镀膜，需要分两次分别对两面镀膜，很难控制镀膜条件完全一致，而本发明提出的两端腐蚀方法可以一次实现，简单易行。

总之，该种两端腐蚀光纤布拉格光栅不但具有多光纤光栅的功能，而且结构紧凑，既避免了光栅之间的熔接，又大大减小了传感头的体积，对解决光纤布拉格光栅实际传感测量中的多参量传感测量具有很好的参考价值。

以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然，本发明不限于以上的实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，包括沿光的传播方向依次布置的宽带光源，光纤隔离器（3），全光纤耦合器（4），光纤布拉格光栅（5）和光谱仪（6），所述宽带光源发出的光波经所述光纤隔离器（3）后进入所述全光纤耦合器（4），经所述全光纤耦合器（4）后分光产生两路光，一路光传入所述光纤布拉格光栅（5），由所述光纤布拉格光栅（5）反射后的光波经所述全光纤耦合器（4）后由所述光谱仪（6）接收，另一路光进入所述匹配液（7）。

2.根据权利要求1所述的一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述宽带光源由LED光源驱动（1）和LED二极管（2）构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于橄榄型光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅（5）采用橄榄型光纤布拉格光栅作为传感头，所述光纤布拉格光栅（5）包括腐蚀段光纤布拉格光栅（51）和非腐蚀段光纤布拉格光栅（52）。

4.一种基于橄榄型光纤布拉格光栅的湿腐蚀制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将一根单模光纤，经过两周1500psi气压环境载氢后，采用相位掩膜法制作成长度为1 cm的光纤布拉格光栅；

2）对光纤布拉格光栅进行退火处理；

3）把已制备的光纤布拉格光栅的两端放入装有由40%的氢氟酸和纯净水按1:2配比得到的溶液的塑料材质的D形槽中，通过氢氟酸极强的吸附作用将光纤布拉格光栅的两端腐蚀掉；

4）光纤布拉格光栅的两端被完全腐蚀，而中间未浸入部分边缘区域渐变腐蚀，从而得到橄榄型光纤布拉格光栅。