CN107907239A - 一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置及其搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置及其搭建方法，该温度传感装置包括宽带光源、第一光谱分析仪和硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的两端分别与宽带光源和第一光谱分析仪相连，长周期光纤光栅由单模硫系玻璃材料光纤经熔融拉锥为锥形硫系光纤并在锥形硫系光纤上经飞秒激光脉冲写入长周期光栅得到。本发明基于硫系玻璃材料的温度传感装置的温度灵敏度可达2.97186 nm/℃，显著高于传统石英长周期光纤光栅传感器的0.04‑0.1 nm/℃的温度灵敏度，更适用于高灵敏度温度传感测量，在高灵敏度的传感领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感装置，具体涉及一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置及其搭建方法。
背景技术
由于前向传输的纤芯模与同向传输的包层模之间发生耦合，长周期光纤光栅可将导波中某一频段的光耦合到包层中损耗掉，其周期在几十微米到几百微米之间。长周期光纤光栅的传输特性会因为外界应力、环境温度等因素的影响而发生改变，通过谐振波长的调谐可获得其传感信息。光纤光栅传感的优点在于抗电磁干扰能力强，体积小，可以埋入材料内部，易于与光纤连接等。与布拉格光纤光栅相比，长周期光纤光栅对环境的变化反应更加灵敏，因此常被用于传感方面。高灵敏度的光纤光栅温度传感器是现代传感器发展的一个重要方向。最常见的是基于石英材料的长周期光纤光栅的温度传感。石英材料的透过范围一般不会超过2μm，即它无法应用于2μm以上的中红外波段。而中红外波段是极其重要的大气窗口，包含很多的分子指纹区，可用于激光测距、激光雷达和大气通信，也是大多数军用探测器的工作波段。另外，石英长周期光纤光栅的温度灵敏度一般在0.04-0.1nm/℃，不能应用于高灵敏度传感检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种温度灵敏度高、温度稳定性好的基于硫系玻璃材料的温度传感装置及其搭建方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，包括宽带光源、第一光谱分析仪和硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅，所述的长周期光纤光栅的两端分别与所述的宽带光源和所述的第一光谱分析仪相连，所述的长周期光纤光栅由单模硫系玻璃材料光纤经熔融拉锥为锥形硫系光纤并在锥形硫系光纤上经飞秒激光脉冲写入长周期光栅得到。
硫系玻璃材料具有红外透过范围宽、非线性系数高、声子能量低等优势，其热光系数大于石英材料；与普通光纤相比，锥形硫系光纤具有混频效应，使得光能空间分布更加均匀，可实现高能聚焦。本发明结合了锥形硫系光纤和长周期光纤光栅的优良特性，利用飞秒激光脉冲在锥形硫系光纤上刻写长周期光纤光栅，实现了温度传感装置的更高的灵敏度和更好的温度稳定性，该长周期光纤光栅在高温下不易擦除。
温度变化时，本发明基于硫系玻璃材料的温度传感装置中的长周期光纤光栅的波长发生变化，该温度传感装置通过测量温度变化引起的谐振波长的位置变化来获得待测温度信息，能够精确检测温度信息。本发明基于硫系玻璃材料的温度传感装置的温度灵敏度可达2.97186nm/℃，显著高于传统石英长周期光纤光栅传感器的0.04-0.1nm/℃的温度灵敏度，更适用于高灵敏度温度传感测量，在高灵敏度的传感领域具有广泛的应用前景。
作为优选，所述的长周期光纤光栅的透射中心波长为1510～1590nm，带隙深度大于8dB。
作为优选，所述的宽带光源的波长范围为800～2000nm，所述的第一光谱分析仪的测量范围为500～2500nm。
作为优选，所述的飞秒激光脉冲的波长为800nm，重复频率为1kHz。
作为优选，所述的硫系玻璃材料为Ge-As-Se硫系玻璃材料、Ge-Sb-Se硫系玻璃材料、As-Se硫系玻璃材料或As-S硫系玻璃材料。
作为优选，所述的宽带光源的出射端先后经第一单模光纤跳线、第一法兰盘和第一裸纤适配器与所述的长周期光纤光栅的入射端相连，所述的长周期光纤光栅的出射端先后经第二裸纤适配器、第二法兰盘和第二单模光纤跳线与所述的第一光谱分析仪的入射端相连。
上述基于硫系玻璃材料的温度传感装置的搭建方法，包括以下步骤：
(1)锥形硫系光纤的拉制
采用熔融拉锥方法，对单模硫系玻璃材料光纤加热，加热温度为硫系玻璃材料的软化温度以上30～80℃，将单模硫系玻璃材料光纤拉制为锥形硫系光纤；
(2)长周期光栅的刻写
搭建一飞秒激光直写***，该飞秒激光直写***包括飞秒激光器、半波片、格兰棱镜、衰减片、电子快门、功率计、第一分束镜、CCD、透镜、双色镜、CCD照明光源、第二分束镜、聚焦物镜、精密移动平台、卤钨灯、第二光谱分析仪和计算机，依次在光学平台上搭建所述的飞秒激光器、半波片、格兰棱镜、衰减片、电子快门、第一分束镜、双色镜、第二分束镜、聚焦物镜和精密移动平台，所述的精密移动平台上放置有光纤夹具，所述的计算机分别与所述的电子快门和所述的精密移动平台相连，所述的精密移动平台的移动由所述的计算机控制，同时将所述的功率计与所述的第一分束镜连接，将所述的双色镜与所述的透镜和CCD依次连接，将所述的第二分束镜与所述的CCD照明光源连接，再将步骤(1)中拉制得到的锥形硫系光纤固定在所述的光纤夹具上，然后将锥形硫系光纤的一端先后经第三裸纤适配器和第三法兰盘与所述的卤钨灯连接，再将锥形硫系光纤的另一端先后经第四裸纤适配器和第四法兰盘与所述的第二光谱分析仪连接；
飞秒激光直写***搭建完成后，开启飞秒激光器，飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲经半波片、格兰棱镜和衰减片调整强度后，由电子快门曝光，再经第一分束镜后到达双色镜被反射，反射的激光脉冲经第二分束镜后进入聚焦物镜，并聚焦于锥形硫系光纤，在锥形硫系光纤上曝光刻写光纤光栅，刻写的同时，通过计算机控制精密移动平台，使精密移动平台缓慢平移，并以卤钨灯和第二光谱分析仪作为在线实时监控***，观察所刻写的光纤光栅的透射谱的变化情况，根据第二光谱分析仪记录到的透过光谱及时调整飞秒激光器的激光参数和电子快门的曝光时间，最终刻写得到硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅；
(3)长周期光纤光栅的温度特性曲线的建立
测量不同温度下的长周期光纤光栅的透过谱的变化，建立波长-透过谱曲线；
测量不同温度下的长周期光纤光栅的谐振波长，建立长周期光纤光栅的温度-谐振波长曲线；
(4)温度传感装置的搭建
将刻写得到的长周期光纤光栅的一端与所述的宽带光源连接，另一端与所述的第一光谱分析仪连接，即搭建得到基于硫系玻璃材料的温度传感装置，该温度传感装置用于环境温度的检测时，将待测温度区的温度变化转化为长周期光纤光栅谐振中心波长的变化，通过比对波长-透过谱曲线和温度-谐振波长曲线即可检测得到环境温度的大小。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的基于硫系玻璃材料的温度传感装置结合了锥形硫系光纤和长周期光纤光栅的优良特性，利用飞秒激光脉冲在锥形硫系光纤上刻写长周期光纤光栅，实现了温度传感装置的更高的灵敏度和更好的温度稳定性，该长周期光纤光栅在高温下不易擦除。温度变化时，该温度传感装置中的长周期光纤光栅的波长发生变化，通过测量温度变化引起的谐振波长的位置变化来获得待测温度信息，能够精确检测温度信息。本发明基于硫系玻璃材料的温度传感装置的温度灵敏度可达2.97186nm/℃，显著高于传统石英长周期光纤光栅传感器的0.04-0.1nm/℃的温度灵敏度，更适用于高灵敏度温度传感测量，在高灵敏度的传感领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例中基于硫系玻璃材料的温度传感装置的结构连接示意图；
图2为实施例1中单模Ge-As-Se硫系玻璃材料光纤拉制的锥形硫系光纤的结构示意图；
图3为实施例中搭建的飞秒激光直写***的结构连接示意图；
图4为实施例1中所刻写的长周期光纤光栅的波长-透过谱曲线；
图5为实施例1中所刻写的长周期光纤光栅的温度-谐振波长曲线；
图6为Ge-As-Se硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅的锥区外径-温度灵敏度曲线。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1的基于硫系玻璃材料的温度传感装置，如图1所示，包括宽带光源A、第一光谱分析仪B和Ge-As-Se硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅C，宽带光源A的出射端先后经第一单模光纤跳线D、第一法兰盘E和第一裸纤适配器F与长周期光纤光栅C的入射端相连，长周期光纤光栅C的出射端先后经第二裸纤适配器G、第二法兰盘H和第二单模光纤跳线I与第一光谱分析仪B的入射端相连，长周期光纤光栅C由单模硫系玻璃材料光纤经熔融拉锥为锥形硫系光纤并在锥形硫系光纤上经飞秒激光脉冲写入长周期光栅得到。
实施例1的基于Ge-As-Se硫系玻璃材料的温度传感装置的搭建方法，包括以下步骤：
(1)锥形硫系光纤的拉制
采用熔融拉锥方法，对单模Ge-As-Se硫系玻璃材料光纤(光纤纤芯直径为40μm，包层直径为200μm，数值孔径NA＝0.29)加热，加热温度为290℃，将单模Ge-As-Se硫系玻璃材料光纤拉制为锥形硫系光纤(结构示意图见图2)，其锥区外径(即锥腰外径)为10μm。具体的拉制方法可参照“一种不同锥腰的Ge-Sb-Se硫系拉锥光纤的制备方法”(发明申请号201610240404.7)；
(2)长周期光栅的刻写
搭建一飞秒激光直写***，如图3所示，该飞秒激光直写***包括飞秒激光器1、半波片2、格兰棱镜3、衰减片4、电子快门5、功率计6、第一分束镜71、CCD8、透镜9、双色镜10、CCD照明光源11、第二分束镜72、聚焦物镜12、精密移动平台13、卤钨灯17、第二光谱分析仪20和计算机14，依次在光学平台上搭建飞秒激光器1、半波片2、格兰棱镜3、衰减片4、电子快门5、第一分束镜71、双色镜10、第二分束镜72、聚焦物镜12和精密移动平台13，精密移动平台13上放置有光纤夹具，计算机14分别与电子快门5和精密移动平台13相连，精密移动平台13的移动由计算机14控制，同时将功率计6与第一分束镜71连接，将双色镜10与透镜9和CCD8依次连接，将第二分束镜72与CCD照明光源11连接，再将步骤(1)中拉制得到的锥形硫系光纤21固定在光纤夹具(图中未示出)上，然后将锥形硫系光纤21的一端先后经第三裸纤适配器15和第三法兰盘16与卤钨灯17连接，再将锥形硫系光纤21的另一端先后经第四裸纤适配器18和第四法兰盘19与第二光谱分析仪20连接；
飞秒激光直写***搭建完成后，开启飞秒激光器1，飞秒激光器1发出波长为800nm、重复频率为1kHz的激光脉冲，该激光脉冲经半波片2、格兰棱镜3和衰减片4调整强度后(激光功率为40mW)，由电子快门5曝光10s，再经第一分束镜71后到达双色镜10被反射，反射的激光脉冲经第二分束镜72后进入聚焦物镜12(40×，NA＝0.6)，并聚焦于锥形硫系光纤21，在锥形硫系光纤21上曝光刻写光纤光栅，刻写的同时，通过计算机14控制精密移动平台13，使精密移动平台13缓慢平移，并以卤钨灯17和第二光谱分析仪20作为在线实时监控***，观察所刻写的光纤光栅的透射谱的变化情况，根据第二光谱分析仪20记录到的透过光谱及时调整飞秒激光器1的激光参数和电子快门5的曝光时间，最终刻写得到硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的中心波长为1534nm，周期为380μm，周期数N＝50，外径为10μm；
(3)长周期光纤光栅的温度特性曲线的建立
测量外界温度以20℃的间隔从25℃变化到85℃时，所刻写的长周期光纤光栅透过谱的变化图，具体见图4所示的波长-透过谱曲线。图5为不同温度下的长周期光纤光栅的谐振波长，即长周期光纤光栅的温度-谐振波长曲线，图5所示曲线实为一条直线，其斜率即为Ge-As-Se硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅C的温度灵敏度，其温度灵敏度为2.97186nm/℃，线性度为R2＝0.9998。
(4)温度传感装置的搭建
将刻写得到的长周期光纤光栅C的一端与波长范围为800～2000nm的宽带光源连接，另一端与测量范围为500～2500nm的第一光谱分析仪B连接，即搭建得到基于硫系玻璃材料的温度传感装置，该温度传感装置用于环境温度的检测时，将待测温度区J的温度变化转化为长周期光纤光栅C的谐振中心波长的变化，通过比对波长-透过谱曲线和温度-谐振波长曲线即可检测得到环境温度的大小。
实施例1中所用飞秒激光器1可以采用美国相干公司提供的Mira 900D钛宝石可调谐飞秒激光器、结合美国相干公司Legend Elite+OperA Solo飞秒激光光学参量放大***(激光工作波长调谐范围0.5-20μm)；宽带光源A可以采用上海科乃特公司提供的VENUS系列F-P型半导体激光光源，谱宽为0.4～2.4μm。
实施例1中Ge-As-Se硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅的锥区外径为10μm，温度灵敏度为2.97186nm/℃。锥区外径不同，长周期光纤光栅的温度灵敏度不同。图6为Ge-As-Se硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅的锥区外径-温度灵敏度曲线。
实施例2：与实施例1的温度传感装置的构成和搭建方法基本相同，不同之处在于，实施例2中，采用的硫系玻璃材料为Ge-Sb-Se，其温度灵敏度为2.76541nm/℃。
实施例3：与实施例1的温度传感装置的构成和搭建方法基本相同，不同之处在于，实施例3中，采用的硫系玻璃材料为As-Se，其温度灵敏度为1.52049nm/℃。
实施例4：与实施例1的温度传感装置的构成和搭建方法基本相同，不同之处在于，实施例4中，采用的硫系玻璃材料为As-S，其温度灵敏度为0.7428nm/℃。
Claims (7)
1.一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，其特征在于包括宽带光源、第一光谱分析仪和硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅，所述的长周期光纤光栅的两端分别与所述的宽带光源和所述的第一光谱分析仪相连，所述的长周期光纤光栅由单模硫系玻璃材料光纤经熔融拉锥为锥形硫系光纤并在锥形硫系光纤上经飞秒激光脉冲写入长周期光栅得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，其特征在于所述的长周期光纤光栅的透射中心波长为1510～1590nm，带隙深度大于8dB。
3.根据权利要求1所述的一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，其特征在于所述的宽带光源的波长范围为800～2000nm，所述的第一光谱分析仪的测量范围为500～2500nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，其特征在于所述的飞秒激光脉冲的波长为800nm，重复频率为1kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，其特征在于所述的硫系玻璃材料为Ge-As-Se硫系玻璃材料、Ge-Sb-Se硫系玻璃材料、As-Se硫系玻璃材料或As-S硫系玻璃材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于硫系玻璃材料的温度传感装置，其特征在于所述的宽带光源的出射端先后经第一单模光纤跳线、第一法兰盘和第一裸纤适配器与所述的长周期光纤光栅的入射端相连，所述的长周期光纤光栅的出射端先后经第二裸纤适配器、第二法兰盘和第二单模光纤跳线与所述的第一光谱分析仪的入射端相连。
7.权利要求1-6中任一项所述的基于硫系玻璃材料的温度传感装置的搭建方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)锥形硫系光纤的拉制
采用熔融拉锥方法，对单模硫系玻璃材料光纤加热，加热温度为硫系玻璃材料的软化温度以上30～80℃，将单模硫系玻璃材料光纤拉制为锥形硫系光纤；
(2)长周期光栅的刻写
搭建一飞秒激光直写***，该飞秒激光直写***包括飞秒激光器、半波片、格兰棱镜、衰减片、电子快门、功率计、第一分束镜、CCD、透镜、双色镜、CCD照明光源、第二分束镜、聚焦物镜、精密移动平台、卤钨灯、第二光谱分析仪和计算机，依次在光学平台上搭建所述的飞秒激光器、半波片、格兰棱镜、衰减片、电子快门、第一分束镜、双色镜、第二分束镜、聚焦物镜和精密移动平台，所述的精密移动平台上放置有光纤夹具，所述的计算机分别与所述的电子快门和所述的精密移动平台相连，所述的精密移动平台的移动由所述的计算机控制，同时将所述的功率计与所述的第一分束镜连接，将所述的双色镜与所述的透镜和CCD依次连接，将所述的第二分束镜与所述的CCD照明光源连接，再将步骤(1)中拉制得到的锥形硫系光纤固定在所述的光纤夹具上，然后将锥形硫系光纤的一端先后经第三裸纤适配器和第三法兰盘与所述的卤钨灯连接，再将锥形硫系光纤的另一端先后经第四裸纤适配器和第四法兰盘与所述的第二光谱分析仪连接；
飞秒激光直写***搭建完成后，开启飞秒激光器，飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲经半波片、格兰棱镜和衰减片调整强度后，由电子快门曝光，再经第一分束镜后到达双色镜被反射，反射的激光脉冲经第二分束镜后进入聚焦物镜，并聚焦于锥形硫系光纤，在锥形硫系光纤上曝光刻写光纤光栅，刻写的同时，通过计算机控制精密移动平台，使精密移动平台缓慢平移，并以卤钨灯和第二光谱分析仪作为在线实时监控***，观察所刻写的光纤光栅的透射谱的变化情况，根据第二光谱分析仪记录到的透过光谱及时调整飞秒激光器的激光参数和电子快门的曝光时间，最终刻写得到硫系玻璃材料制成的长周期光纤光栅；
(3)长周期光纤光栅的温度特性曲线的建立
测量不同温度下的长周期光纤光栅的透过谱的变化，建立波长-透过谱曲线；
测量不同温度下的长周期光纤光栅的谐振波长，建立长周期光纤光栅的温度-谐振波长曲线；
(4)温度传感装置的搭建
将刻写得到的长周期光纤光栅的一端与所述的宽带光源连接，另一端与所述的第一光谱分析仪连接，即搭建得到基于硫系玻璃材料的温度传感装置，该温度传感装置用于环境温度的检测时，将待测温度区的温度变化转化为长周期光纤光栅谐振中心波长的变化，通过比对波长-透过谱曲线和温度-谐振波长曲线即可检测得到环境温度的大小。
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