CN104777132A - 基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率测量方法；包层半径为20.75μm，探测光波为1690nm-1710nm的任意完全偏振光，波长间隔1nm，环境折射率的测量范围是1至1.46。在已知环境折射率为nI时，检测出等间隔的各波长λ1,λ2…λN的光波通过长周期光纤光栅后的输出偏振态P1,P2…PN；计算出偏振态P1,P2…PN在邦加球上对应点间的球面距离序列l1,l2…lN-1；取出球面距离序列l1,l2…lN-1中的最大值lmaxI，lmaxI即为已知环境折射率nI下的测量结果；绘制出环境折射率n与lmax的关系曲线；在计算出某未知环境折射率的lmax值后，利用此曲线可得到其对应的n值。本发明采用单色可调谐激光光源进行测量，测量值随环境折射率的变化近似呈线性变化；方法流程相对简单，适用于实际测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种基于薄包层长周期光纤光栅的偏振特性的测量环境折射率的方法。
背景技术
长周期光纤光栅是一种无源器件，轴向方向具有周期性的折射率分布，它将光能量从纤芯中传播的导波模式耦合到包层中的包层模式中，从而导致传输频谱在响应波长处产生一系列的阻带。
基于谐振波长随待测量变化而发生偏移的特性，长周期光纤光栅传感器已被广泛应用在各种光学传感器件上，例如环境折射率、温度、应力等传感器。
最早报道利用长周期光纤光栅的谐振波长的偏移量进行环境折射率测量的文献是1998年光波技术杂志第16卷9期1606页发表的“长周期光纤光栅对外界折射率的响应的分析”，参见：Patrick H J,Kersey A D,Bucholtz F.Analysis of the response of long period fibergratings to external index of refraction[J].Journal of Lightwave Technology,1998,16(9):1606，文中报道了一种化学浓度传感器的应用。2010年，Tinko Eftimov等人使用偏振仪测量长周期光纤光栅的偏振特性，利用单一波长的入射偏振态和输出偏振态在邦加球上的对应点之间的最短劣弧所对应的圆心角度进行环境折射率的测量。2014年，Quandong Huang等人在全实芯光子带隙光纤上用CO2激光器刻写长周期光纤光栅，其谐振波长的偏移量与环境折射率的函数关系满足二次函数多项式。现有的测量方法中，被测量值与较宽范围内的环境折射率之间的关系曲线的线性度不高，且多数方法需要使用宽带光源才能较好完成对谐振波长偏移量的追踪。
当前，基于长周期光纤光栅的环境折射率传感的研究引起了极大的兴趣，尤其对于薄包层长周期光纤光栅的研究，其能够良好地提高传感灵敏度，且制造技术成熟，便于大规模生产。
发明内容
本发明的目的是解决目前已有的环境折射率测量方法中需要采用宽带光源探测长周期光纤光栅，且产生的谐振波长的偏移量随环境折射率的变化线性度较差的问题，提供一种流程相对简单并且易于实现的基于薄包层长周期光纤光栅的偏振特性的环境折射率的测量方法，该环境折射率测量方法可采用窄带光源，利用输出光偏振态进行环境折射率的测量，测量值随环境折射率的变化近似线性变化；采用薄包层的长周期光纤光栅，从而提高传感灵敏度。
本发明的技术方案：
一种基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率的测量方法；该方法使用的长周期光纤光栅包层半径为20.75μm，探测波长是范围在1690nm-1710nm的任意完全偏振光波，波长间隔1nm，环境折射率的测量范围是1至1.46。
所述入射光波为任意完全偏振光，光栅长度1.5cm，光栅周期320μm，纤芯半径4.15μm，纤芯材料折射率1.4681，包层材料折射率1.4628，光栅的缓变包络2.25×10-4，位于纤芯的光致双折射△n＝5×10-6。
本发明方法的具体步骤如下：
1)使用单色可调谐激光光源，在已知环境折射率为nI时，检测出等间隔的各波长λ1,λ2…λN的光波通过长周期光纤光栅后的输出偏振态P1,P2…PN。
2)计算出偏振态P1,P2…PN在邦加球上的对应的点间的球面距离序列l1,l2…lN-1。
3)取出球面距离序列l1,l2…lN-1中的最大值lmaxI，lmaxI即为已知环境折射率nI下的监测结果。
4)改变已知环境折射率，重复步骤1)至步骤3)，并绘制出环境折射率n与球面距离的最大值lmax的关系曲线。
5)在某未知环境折射率n下，依据步骤1)至步骤3)的方法计算lmax，然后利用步骤4)已求得的曲线关系，得到n值。
该基于薄包层长周期光纤光栅的偏振特性的环境折射率的测量方法，用作探测光源为窄带光源时的传感测量方法。
本发明的优点和有益效果
本发明提出了一种流程相对简单并且易于实现的基于薄包层长周期光纤光栅的偏振特性的测量环境折射率的方法，通过检测输出光偏振态，结合邦加球的数学分析，实现对环境折射率的测量。该方法的测量值随环境折射率的变化近似线性变化；光源可以采用窄带光源，在20nm的波长范围内实现对环境折射率的测量；方法适用于实际测量。
附图说明
图1为该环境折射率测量方法的示意图。
图中：n.环境折射率，λ.入射波长，P.输出偏振态，l.球面距离，lmax.球面距离最大值；
图2为该环境折射率测量方法的测量值随环境折射率的变化关系图。
图3为该环境折射率测量方法的传感灵敏度随环境折射率的变化关系图。
图4为该环境折射率测量方法在使用不同偏振态的入射光，测量值随环境折射率的变化关系图。
具体实施方式
实施例：
一种基于薄包层长周期光纤光栅的偏振特性的环境折射率的测量方法；本发明方法使用的长周期光纤光栅包层半径为20.75μm，探测波长是范围为1690nm-1710nm的任意完全偏振光波，波长间隔1nm，环境折射率的测量范围是1至1.46。
该实施例中，入射光波为任意完全偏振光，光栅长度1.5cm，光栅周期320μm，纤芯半径4.15μm，纤芯材料折射率1.4681，包层材料折射率1.4628，光栅的缓变包络2.25×10-4，位于纤芯的光致双折射△n＝5×10-6。
该环境折射率的测量方法，步骤如下：
1)使用单色可调谐激光光源，在已知环境折射率nI为1时，检测出波长间隔为1nm，波长范围为1690nm-1710nm的各波长的光波通过长周期光纤光栅后的输出偏振态P1,P2…PN。
2)计算出偏振态P1,P2…PN在邦加球上的对应的点间的球面距离序列l1,l2…lN-1。
3)取出球面距离序列l1,l2…lN-1中的最大值lmaxI为0.01123，0.01123即为已知环境折射率1下的监测结果。
4)从已知环境折射率1开始，以数值0.01的步进改变环境折射率至1.46，重复步骤1)至步骤3)，并绘制出环境折射率n与球面距离的最大值lmax的关系曲线。如图2所示，为该环境折射率测量方法的测量值随环境折射率的变化关系图，图中表明：测量值随环境折射率的变化接近线性变化。
5)在某未知环境折射率n下，依据步骤1)至步骤3)的方法计算lmax，然后利用步骤4)已求得的近似线性关系n＝(lmax-0.03726)/-0.02588，得到n值。所得计算结果与测量值之间的均方根误差为1.818E-4，由此表明利用步骤4)求得的近似线性关系对未知环境折射率进行估算的准确度高。
基于薄包层长周期光纤光栅的偏振特性的测量环境折射率的方法，用作探测光源的是窄带可调谐激光器。
图3为该环境折射率测量方法的传感灵敏度随环境折射率的变化关系图，图中表明：在环境折射率接近长周期光纤光栅的包层材料折射率时，传感灵敏度波动大，出现最大值。
图4为该环境折射率测量方法在使用不同偏振态的入射光的条件下，测量值随环境折射率的变化关系图，图中表明：测量值随环境折射率的变化几乎不受入射光的偏振态的影响。
Claims (3)
1.一种基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)使用单色可调谐激光光源，在已知环境折射率为nI时，检测出等间隔的各波长λ1,λ2…λN的光波通过长周期光纤光栅后的输出偏振态P1,P2…PN；
2)计算出偏振态P1,P2…PN在邦加球上的对应的点间的球面距离序列l1,l2…lN-1；
3)取出球面距离序列l1,l2…lN-1中的最大值lmaxI，lmaxI即为已知环境折射率nI下的监测结果；
4)改变已知环境折射率，重复步骤1)至步骤3)，并绘制出环境折射率n与球面距离的最大值lmax的关系曲线；
5)在某未知环境折射率n下，依据步骤1)至步骤3)的方法计算lmax，然后利用步骤4)已求得的曲线关系，得到n值；
所述方法使用的长周期光纤光栅包层半径为20.75μm，探测光波是任意完全偏振光波，波长间隔1nm，环境折射率的测量范围是1至1.46。
2.根据权利要求1所述基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率的测量方法，其特征在于：所述入射光波范围为1690nm-1710nm任意完全偏振光，长周期光纤光栅长度1.5cm，光栅周期320μm，纤芯半径4.15μm，纤芯材料折射率1.4681，包层材料折射率1.4628，光栅的缓变包络2.25×10-4，位于纤芯的光致双折射△n＝5×10-6。
3.如权利要求1所述基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率的测量方法，其特征在于所述方法用作探测光源为窄带光源时的传感测量方法。
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