基于飛秒激光直寫的高折射率光纖光柵傳感器

李 馳,魯志琪,任 杰,彭 敏,劉昌寧

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002)

0 引言

光纖傳感器種類繁多[1-3],而光纖光柵作為光纖系統(tǒng)中的重要元件之一,其具有小型化、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、高靈敏度、高精度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[4-5],被廣泛用于溫度測(cè)試、折射率測(cè)量[6]、應(yīng)變測(cè)試[7]等領(lǐng)域。按照周期大小,光纖光柵可分為長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)和布喇格光纖光柵(FBG)。FBG通常指周期低于1 μm的光纖光柵,又稱為反射光柵[8-10];LPFG指周期數(shù)為幾十或幾百微米的光纖光柵,又稱為透射光柵[11]。傳統(tǒng)的LPFG制作方法有紫外曝光掩膜法[12]、高頻CO2激光器逐點(diǎn)寫入法[13]和腐蝕刻槽法[14]等,但這些方法在光纖載氫處理、高溫穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和靈敏度方面都有不同程度的缺陷。飛秒激光直寫是一種新興的刻寫光纖光柵的方法,近年來成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[15-17]。

2010年,Liu等[18]使用飛秒紅外光束聚焦到PCF的多孔玻璃內(nèi)包層區(qū)域制成LPFG,得到強(qiáng)度26 dB的諧振峰, LPFG結(jié)構(gòu)的傳感頭可在800 ℃下運(yùn)行30 h,具有良好的穩(wěn)定性。2011年,Li等[19]開發(fā)了一種改進(jìn)的逐點(diǎn)刻制方法,通過使用800 nm,35 fs的激光器制作衰減峰值達(dá)到20 dB的LPFG,其溫度敏感性為0.091 nm/℃,且在600 ℃時(shí)顯示出較高的溫度穩(wěn)定性。2012年,Sun等[20]使用飛秒激光逐點(diǎn)刻寫標(biāo)準(zhǔn)單模光纖得到諧振峰在1 300 nm附近的LPFG,在3 N的拉力下,其衰減超過16 dB,帶寬為7 nm,損耗幾乎為0。2022年,Chen等[21]使用513 nm的飛秒激光制作了一種螺旋形LPFG,引入新的調(diào)制參數(shù)——螺旋路徑半徑,為螺旋形LPFG的制備和應(yīng)用提供了新的自由度。綜上所述,飛秒激光直寫LPFG傳感器技術(shù)已在傳感測(cè)量領(lǐng)域取得巨大進(jìn)展,研究?jī)r(jià)值較高。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并搭建了基于波長(zhǎng)為800 nm的紅外飛秒激光制作LPFG的加工系統(tǒng),制作了柵區(qū)長(zhǎng)度為7.5 mm的LPFG,并分別對(duì)溫度、軸向應(yīng)變和折射率3個(gè)參量進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該LPFG傳感器具有較高的折射率靈敏度,在生物化學(xué)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

1 傳感器制作與原理分析

1.1 傳感器制作過程

傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和細(xì)芯光纖制作。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)由武漢長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司生產(chǎn),纖芯直徑?9 μm,包層直徑?125 μm;細(xì)芯光纖(TCF)纖芯直徑?3.8 μm,包層直徑?125 μm。飛秒激光器加工示意圖如圖1所示,所使用能量為0.65 μJ。傳感器的制作過程如下:首先取一段2 cm的TCF,剝?nèi)テ渫扛矊?并在其兩端熔接上SMF;然后采用800 nm飛秒激光在TCF上逐點(diǎn)刻寫出長(zhǎng)周期光柵(LPG),功率為650 μw,所得光柵參數(shù)為:光柵周期為150 μm,光柵數(shù)為50個(gè),占空比為1∶1,如圖2所示。

圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)圖

圖2 光纖光柵實(shí)物圖

1.2 傳感器基本原理

根據(jù)長(zhǎng)周期光柵的模式耦合理論,其纖芯基模與同向包層模式之間的耦合滿足相位匹配條件:

(1)

式中:βco為向前傳輸?shù)幕鞑コ?shù);βcl為同向的包層模傳播常數(shù);Λ為長(zhǎng)周期光柵的周期。

傳播常數(shù)為

(2)

式中:neff為模式有效折射率;λ為光的波長(zhǎng)。

由式(1)、(2)可得:

(3)

剝?nèi)ネ扛矊雍?包層內(nèi)的光傳輸因受外界環(huán)境的影響而發(fā)生變化,纖芯與包層的有效折射率之差Δneff發(fā)生改變;受到溫度和軸向力影響時(shí),光柵周期Λ發(fā)生改變;對(duì)應(yīng)變化程度的不同,諧振波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生不同程度的紅移或藍(lán)移,以此觀察漂移量可以得到外界參量(如溫度、折射率、應(yīng)力等)的變化量。本文在細(xì)芯光纖上刻蝕光柵,其纖芯直徑僅為?3.8 μm,與飛秒激光劃線的寬度基本相等。激光經(jīng)過橫向光柵時(shí)只能從包層中傳播,這能增加器件對(duì)外界環(huán)境的敏感度。

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

圖3為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。本實(shí)驗(yàn)中使用的儀器包括低偏振超寬帶光源(北京康冠世紀(jì),QS 15091601) ,光譜范圍為1 250～1 650 nm;光譜分析儀(日本橫河,AQ 6370D) 測(cè)量范圍為600～1 700 nm,精度為±0. 01 nm。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及傳感器示意圖

2.1 折射率實(shí)驗(yàn)

室溫下配置16組不同濃度的甘油溶液,用阿貝折射儀測(cè)量得到其折射率范圍為1.333 0～1.430 5。將結(jié)構(gòu)兩端的SMF分別連接到光譜儀和寬帶光源,拉直傳感結(jié)構(gòu),得到其在空氣中的初始譜;然后將結(jié)構(gòu)浸泡在清水中,記錄此時(shí)的光譜,如圖4所示,取dip1,dip2,dip3為研究對(duì)象。

圖4 傳感器在空氣中和加水后的初始光譜圖

取出結(jié)構(gòu)后置于配置好的不同折射率的甘油溶液中,以dip1為研究對(duì)象,觀察其光譜變化,待光譜穩(wěn)定后再進(jìn)行記錄;取出結(jié)構(gòu)并清洗干凈,待其回歸到與清水譜線重合后進(jìn)行下一組甘油溶液的光譜測(cè)量。全部完成后分析數(shù)據(jù),得到譜線的漂移情況如圖5所示。

圖5 折射率透射譜漂移圖

如圖6所示,當(dāng)折射率升高,諧振波谷dip1發(fā)生紅移,中心波長(zhǎng)逐漸增大。折射率處于1.333 0～1.383 3時(shí),傳感器的靈敏度達(dá)到199.8 nm/RIU;折射率處于1.383 3～1.407 4時(shí),傳感器的靈敏度為369.8 nm/RIU;折射率處于1.420 5～1.430 5時(shí),傳感器的靈敏度最高可達(dá)1 605 nm/RIU,靈敏度較高。

圖6 折射率實(shí)驗(yàn)擬合圖

2.2 溫度實(shí)驗(yàn)

LPFG傳感器還能用于溫度傳感。當(dāng)溫度改變時(shí),光柵受熱膨脹,柵距改變,導(dǎo)致中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移,由此可得溫度與諧振波谷的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將LPFG穿過管式爐,并將兩端的SMF固定在寬帶光源和光譜儀上。設(shè)置管式爐程序,使其由30 ℃均勻上升至330 ℃,每隔30 ℃保持溫度5 min,譜線穩(wěn)定后記錄一組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完成后整理數(shù)據(jù),得到如圖7所示的漂移圖,由圖可見,隨著溫度升高,諧振峰dip2發(fā)生紅移。圖8為溫度實(shí)驗(yàn)擬合圖。由圖8可見,靈敏度達(dá)到72.65 nm/℃,線性擬合度R2=0.979 2,說明傳感器線性度良好。

圖7 溫度實(shí)驗(yàn)漂移圖

圖8 溫度實(shí)驗(yàn)擬合圖

2.3 軸向應(yīng)變?cè)囼?yàn)

當(dāng)光纖光柵受到軸向應(yīng)力時(shí),光柵周期受到拉伸而增大,諧振峰的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變。將傳感器兩端的SMF接入寬帶光源和光譜儀,并將SMF用AB膠固定在位移平臺(tái)上,待其完全固化后,調(diào)節(jié)位移平臺(tái)使傳感器處于拉直狀態(tài),記錄此時(shí)兩點(diǎn)膠之間的距離d,然后開始軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)位移平臺(tái)右側(cè)千分尺旋鈕,每轉(zhuǎn)動(dòng)0.02 mm記錄一次傳感器的透射譜。軸向應(yīng)變公式為

(4)

式中:Δd為位移平臺(tái)的總移動(dòng)量;d為傳感器處于初始拉直狀態(tài)時(shí)兩處AB膠固定之間的距離;ε為實(shí)驗(yàn)中的軸向應(yīng)變量。

圖9為軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)漂移圖。由圖可見,隨著光纖拉伸量的逐漸增加,諧振峰dip3的中心波長(zhǎng)發(fā)生紅移。圖10為軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)擬合圖。由圖10可見,傳感器的軸向應(yīng)變靈敏度為0.636 8 pm/με,R2=0.992 2,這說明傳感器對(duì)于應(yīng)變不敏感且線性度優(yōu)良,說明軸向應(yīng)變對(duì)其他實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響可以忽略。

圖9 軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)漂移圖

圖10 軸向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)擬合圖

3 結(jié)束語

本文提出并制作了一種基于飛秒激光直寫的光纖光柵傳感器。通過分析傳感器的透射光譜與折射率、溫度、軸向應(yīng)力的變化關(guān)系,得到在1.333 0～1.430 5折射率范圍內(nèi),靈敏度最高能達(dá)到1 605 nm/RIU,線性度良好。另外,該傳感器在30～330 ℃時(shí),靈敏度達(dá)到76.52 nm/℃,線性擬合度為0.979 2。該傳感器對(duì)于應(yīng)變不敏感,靈敏度僅為0.636 8 pm/με,線性擬合度達(dá)到0.992 2,其魯棒性優(yōu)良。該傳感器制作簡(jiǎn)單,靈敏度較高,在折射率和溫度傳感領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。