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石英光纤光栅及温度传感特性研究

 论文栏目:光学科学论文     更新时间:2018/10/11 10:37:35   

摘要:利用铌酸锂掺杂石英光纤制备了光纤布拉格光栅并研究了其温度传感特性,利用自制的铌酸锂掺杂石英光纤通过相位掩膜法刻写了铌酸锂掺杂石英光纤光栅。测量了光纤光栅刻写过程中的透射谱,分析了铌酸锂掺杂石英光纤的光敏性。然后,与光敏光纤光栅作对比,研究了铌酸锂掺杂石英光纤光栅的温度传感特性,实验结果表明,铌酸锂掺杂石英光纤光栅比光敏光纤光栅具有更高温度灵敏度。将铌酸锂掺杂石英光纤光栅用作温度传感器,可获得更好的温度传感特性。

关键词:石英光纤,铌酸锂掺杂,光纤布拉格光栅,传感器,温度灵敏度

1978年,加拿大通信研究中心的Hill等人利用内部写入法首次在掺锗光纤中刻写出可以实现反向模式间耦合的永久性光纤布拉格光栅,拉开了光纤光栅研究的序幕[1]。1988年,美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人,提出了一种全新的横向全息光栅写入技术,称为外部写入法,该方法用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤,从而将布拉格光栅写入光纤[2]。这种横向全息成栅技术是一个很大的进步,可以在任何感兴趣的可用波段写入光栅,使光纤布拉格光栅具有了潜在的使用价值。但是,这种方法的缺点是对环境和光源要求太高,实用较为困难。直到1993年,Hill等人又提出了利用紫外光垂直照射相位掩膜形成的衍射曝光氢载光纤用来形成布拉格光栅,这种方法就是如今刻写光栅最常用的相位掩膜法[3]。该方法的提出标志着光纤光栅走向实用化和产业化。1996年,贝尔实验室的Vengsarkar等人用紫外光通过振幅掩膜板曝光氢载光纤,研制成了长周期光纤光栅[4]。近20年来,在布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅的基础上,一系列新型光纤被研制出来。如高斯光纤光栅、啁啾光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅、相移光纤光栅等。1989年,Morey等人首次报道了将光纤光栅应用于传感领域,引起了人们极大的兴趣。因为光纤光栅具有抗腐蚀、抗电磁干扰、可靠性强等优点,所以其在传感领域的应用越来越广,成为了传感领域最重要的研究方向之一[5-8]。而温度传感是光纤光栅传感器最主要的应用,温度的变化会导致光栅周期和光栅栅区有效折射率的改变,从而导致光纤光栅的反射波长发生移动。通过检测光栅反射波长多少就能计算出温度的大小。但是传统的光敏光纤,如掺锗光纤光栅和氢载硅锗光纤光栅的温度系数较小,用其作温度传感元件时的灵敏度并不高,为了提高光纤光栅传感器的温度灵敏度,本文制备一种铌酸锂掺杂石英光纤光栅传感器,和传统的光敏光纤光栅进行对比试验,发现铌酸锂掺杂石英光纤光栅有着更高的温度灵敏度。

1光栅制备

本文首先基于相位掩膜法,利用自制的铌酸锂掺杂石英光纤和Fibercore公司的PS1250/1500型光敏光纤分别刻写了铌酸锂掺杂石英光纤光栅和光敏光纤光栅。其实验原理图如图1所示,将光纤置于相位掩膜板的下方,紫外激光通过掩膜板曝光于光纤纤芯中。通过衍射和干涉效应,透过相位掩膜板的紫外光发生干涉作用,相位叠加形成+1、-1和0阶三种光强,其中+1阶和-1阶光强度增强,0阶光强减弱,从而使得光纤纤芯的折射率发生周期性变化,形成光纤光栅。图1相位掩实验中采用的相位掩膜板周期是1069.17nm,准分子激光器输出功率为5.9mJ,波长为193nm。为了便于观察实验时光栅的成栅过程,将待刻光纤一端与宽带光源连接,另一端连接于光谱仪,即可在光栅刻写过程中测量光栅透射谱,观察光栅刻写状态。在同样的实验条件下,分别对商用光敏光纤和铌酸锂掺杂石英光纤进行光栅刻写。紫外曝光时间分别为10min、15min、20min、25min时记录光纤光栅的透射谱,如图2所示。其中图2a为铌酸锂掺杂石英光纤光栅透射谱,图2b为商用光敏光纤光栅透射谱。可以看到,随着紫外曝光时间的增长,光栅中心波长向长波方向偏移,且对应的反射光谱强度随之不断的增强。在同样的曝光时间下,商用光敏光栅所对应的反射光谱强度更大,表明商用光敏光纤的光敏性比铌酸锂掺杂石英光纤要高。为了对铌酸锂掺杂石英光纤的光敏性进一步研究,对光栅刻写过程中心波长处的反射光强度随时间的变化进行了分析。如图3所示,光敏光纤光栅中心波长处反射光的强度在紫外曝光第15min后便开始放缓,在20min时则已经达到饱和,约18dB左右。而铌酸锂掺杂光纤光栅在相同刻写时间中心波长处反射光的强度均低于光敏光纤光栅,在第25min时仍未达到饱和,此时,其反射强度约为8.6dB。可见铌酸锂掺杂石英光纤的光敏性比光敏光纤的要弱,不过仍可以成功刻写上光栅,只是在刻写过程中需要更高的激光功率和更长的曝光时间。

2光栅温度传感特性

为了分析铌酸锂掺杂石英光纤光栅的温度传感特性,实验中,对已刻写的商用光敏光纤光栅和铌酸锂掺杂石英光纤光栅进行了温度传感特性研究。实验原理图如图4所示。将光纤光栅放入温控箱中,光纤光栅通过光纤连接到光纤光栅传感解调仪上。温控箱用于温度控制,其温度变化范围为0~100℃,实验时,起始温度设为0℃,每次增加10℃,当温度稳定后,即用光纤光栅传感解调仪测量光纤光栅的中心波长。实验中,为保证商用光敏光纤光栅和铌酸锂掺杂石英光纤光栅所处环境温度相同,将两光纤光栅同时放入温控箱,并靠近放置。两种光纤光栅的中心波长随温度变化的实验结果如图5所示。由图5可见,当温度变化时,铌酸锂掺杂石英光纤光栅中心波长的偏移量比光敏光纤光栅更大,在100℃时,铌酸锂掺杂石英光纤光栅中心波长漂移量达到1440pm,其温度灵敏度约为14.4pm/℃。光敏光纤光栅在100℃时的中心波长漂移量为1130pm,其温度灵敏度约为11.3pm/℃。经计算可得,铌酸锂掺杂石英光纤光栅的温度灵敏度比光敏光纤光栅的温度灵敏度大1.27倍。

3结束语

本文采用相位掩膜法刻写出了铌酸锂掺杂石英光纤光栅,并测量分析了铌酸锂掺杂石英光纤的光敏性及其光栅的温度传感特性。实验结果表明,铌酸锂掺杂石英光纤的光敏性虽弱于光敏光纤,但是,还是可以较容易地刻写出光纤光栅,且在0~100℃范围内,铌酸锂掺杂石英光纤光栅的温度灵敏度为14.4pm/℃,比光敏光纤光栅的温度灵敏度大1.27倍。由此可见,本文研制的铌酸锂掺杂石英光纤光栅用作温度传感器将可获得更好的温度传感特性。

作者:郝平 陈振宜 陈娜 刘书朋 单位:特种光纤与光接入网重点实验室 特种光纤与先进通信国际合作联合实验室上海先进通信与数据科学研究院

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