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陶铸,雷雷史,Min,魏黄, ”引起的传感和特殊的长周期光纤光栅的解调扫描激光脉冲”,杂志上的传感器, 卷。2012年, 文章的ID539095年, 17 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/539095
引起的传感和特殊的长周期光纤光栅的解调扫描激光脉冲
文摘
对长周期光纤光栅扫描引起的(LPFGs)有特殊结构有限公司2激光脉冲在单模光纤(SMF)提出了。在第一部分,LPFGs的特殊结构和制备方法中演示了细节。接下来,演示了特殊LPFG-based传感器,如折射率传感器、应变传感器温度补偿,相声和扭力传感器没有温度。最后,几个调查方法包括强度、波长偏移、光纤环形激光器解调进行了讨论。
1。介绍
长周期光纤光栅()长周期光纤光栅器件的典型时期几十或几百个微米可以两包层模式的基本核心模式在相位匹配条件下,留下一系列的等级在某些特定波长的透射谱(9]。敏感环境扰动比长周期光纤光栅器件光纤布喇格光栅(FBG)模式之间的耦合发生只有向前和向后的核心模式。到目前为止,已被用于长周期光纤光栅器件折射率的测量,温度、弯曲和扭转,等等。长周期光纤光栅器件制造提出了许多方法,如紫外线(UV)激光照射9- - - - - -13),电弧放电(14- - - - - -19)有限公司2激光辐照(2,20.- - - - - -29日),机械压力(30.- - - - - -35],蚀刻干硬后[36- - - - - -39],离子束注入[40,41),和飞秒激光照射42- - - - - -50]。其中,紫外激光曝光方法是最受欢迎的因其制作简单,重复性高,大规模制造对称LPFGs。然而,光敏光纤的要求是这种方法的缺点,导致制作的光栅不能工作在高温条件下(说,超过250°C)。电弧放电、机械压力,蚀刻干硬后,离子束注入、飞秒激光照射,点有限公司2激光或扫描有限公司2激光照射都是不对称的制备方法。除了扫描有限公司2激光方法,其他加工方法无法实现大规模制造和高重复光栅制造。特别是,这些方法也不能制造特殊LPFGs复杂指数资料。
与其他技术相比,采用扫描有限公司2长周期光纤光栅器件制造激光脉冲是灵活的和低成本的。这是因为氢不需要加载和其他额外的流程,方便制造LPFGs特别折射率调制分布(1,3- - - - - -7,51- - - - - -57]。是很重要的LPFGs提高传感灵敏度和克服cross-influence测量参数,如折射率、应变,扭力,和温度。这就是为什么一些特殊LPFGs近年来提出。本文回顾有限公司2提出了激光特别LPFGs。原理和制造的特殊LPFGs包括LPFGs折射率调制扶轮社、边缘分布折射率调制,或定期凹槽介绍部分2。特殊LPFG-based传感器用于测量环境折射率、扭转和应变节中列出3。调查的方法总结了传感器部分4,如波长偏移方法,强度和光纤环形激光器解调方法。结论是节5。
2。原理和制造有限公司2激光LPFGs
2.1。正常LPFGs
图1(一)显示的设置原理图制作LPFGs利用扫描有限公司2激光。的有限公司2激光束,侧重于纤维在纤维横向扫描(X沿着纤维方向),然后进步(Y方向)等于光栅周期的一步。点有限公司之间的差别2激光扫描法和有限公司2方法是移动对象;也就是说,只有纤维是活动前只有有限公司2激光束是后者的活动。一个扫描周期完成当光栅周期的数量。和扫描周期可以根据需要多次重复。典型的长周期光纤光栅器件的透射谱,630μm和光栅长度37.8毫米如图1 (b)。有损失以来的频谱峰值基本核心模式耦合copropagating从光纤包层模式将泄露出来。损失峰值的波长发生是由相位匹配条件,在那里和是最根本的核心模式的传播常数和包层模式,分别和是光栅周期9]。因此,长周期光纤光栅器件的谐振波长,可以给出的 ,在那里共振波长,和的有效指标基本核心模式和包层模式,分别。
(一)
(b)
应该注意的是,LPFGs通过扫描制作有限公司2激光法具有不对称结构(2],它不同于UV-induced LPFGs。由于石英玻璃具有较强的吸收波长的有限公司2激光,10.6μm,沿入射方向光束强度逐渐减弱,导致不对称折射率调制的截面内纤维。
2.2。LPFGs有特殊结构
2.2.1。长周期光纤光栅器件Edge-Written
折射率调制分布在核心和电镀有限公司2正常LPFGs激光。确保包层的折射率扰动只发生地区,一种edge-written (E-LPFG)是通过适当地控制制作长周期光纤光栅器件的曝光能量和脉冲时间有限公司2激光使用的设置如图1(一)(1]。的折射率分布的横截面E-LPFG图所示2(一个)。E-LPFG如图的显微照片2 (b)长周期光纤光栅器件的,写深度~ 35μm。
(一)
(b)
验证折射率调制只发生在外层包覆的纤维,纤维的直径由~ 104蚀刻μ米,这意味着纤维的直径~ 21μm。部分原始E-LPFG的显微图和蚀刻E-LPFG图所示3(一个)。透射光谱如图3 (b)时,表明不存在光栅光纤的直径是~ 21μm;也就是说,没有折射率调制发生在纤维芯。
(一)
(b)
2.2.2。长周期光纤光栅器件Edge-Written周期性的凹槽
基于该方法中提到的部分2.2。1周期性的长周期光纤光栅器件edge-written凹槽可以捏造通过增加激光能量(3]。这张照片的光栅结构如图4(一)。长周期光纤光栅器件的透射谱演化光栅间距为400μ米图所示4 (b)。
(一)
(b)
通过增加激光能量和扩大E-LPFG光栅周期,一个ultra-long-period与周期光纤光栅凹槽(G-ULPFG)分布在外层包层区域的纤维可能是伪造的。的显微照片G-ULPFG沟深~ 30μm和光栅周期如图2毫米5(一个)。G-ULPFG的透射谱图所示5 (b),这表明基本核心模式夫妇与包层模式的th衍射订单(4]。这意味着每一个共振峰值G-ULPFG都有独立的感应灵敏度,它提供了一种实现多参数传感通过使用一个传感器。
(一)
(b)
2.2.3。与长周期光纤光栅器件扶轮折射率调制
长周期光纤光栅器件制造一个与扶轮折射率调制(R-LPFG),光纤的两端固定在两个持有人隔开一段距离,纤维扭曲旋转盘相连的持有者之一圈,如图6。长周期光纤光栅器件正常扭曲是在纤维制作的转折时期。这种被称为T-LPFG长周期光纤光栅器件(5]。扭曲被旋转阀瓣在相反的方向或释放纤维直接从持有人。因此,有一个扶轮折射率调制分布沿纤维,它被称为R-LPFG。长周期光纤光栅器件与螺旋式调制指数,扶轮折射率调制R-LPFG是离散的52]。
比较几个R-LPFGs的透射光谱和相应的T-LPFGs如图7。光栅的时期毫米的长度50毫米(时期)。当转折期大于~ 60毫米,2或3需要生成一个强T-LPFG扫描周期。当转折期小于~ 60毫米,然而,只有一个扫描周期就足够了。如图7的透射谱T-LPFG包含两个拒绝乐队(~ 1430 ~ 1550海里)宽带源的波长范围内,对应,分别耦合到两个不同的订单的包层模式。拒绝的乐队T-LPFG扭率不敏感。另一方面,透射谱的R-LPFG扭率高度敏感。低扭率(毫米),R-LPFG的光谱相似,相应的T-LPFG,预计。在一个较高的扭率(和30毫米),每个乐队是分成两个完全拒绝。在一个中等扭率(、60、50毫米),拒绝分裂乐队重叠。可以看出,波长分割的数量增加而扭曲率。结果表明,松散的T-LPFG产生R-LPFG特性强烈依赖于应用的数量的T-LPFG的写作。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
2.2.4。与长周期光纤光栅器件旋转槽
R-LPFG制造按照相同的程序,与长周期光纤光栅器件周期性凹槽(G-R-LPFG)旋转沿纤维可以捏造刻槽的激光功率足够高的包层光纤(6]。光栅的结构旋转槽的长度如图8。所使用的纤维是一种常规单模光纤(康宁,SMF-28)。光栅周期和周期数是500μm和60,分别。图9(一个)显示了增长的共振峰T-LPFG光栅的写作期间,使用的扭率在哪里°/毫米。共振峰转向更短的波长随着扫描的循环次数的增加,类似于写正常的情况下与高频长周期光纤光栅器件有限公司2激光脉冲。图9 (b)显示了G-R-LPFG的进化。纤维无捻后,两个原始T-LPFG分裂成两个较小的共振峰,分别和耦合系数是不同的。例如,峰值为1569.4 nm分裂成两个较小的1557.8和1593.7 nm,分别。两个分裂的振幅峰值−4.92 dB和−8.13 dB。然而,峰值为1403.5 nm分成两个很弱的。在实验中,峰分裂现象的G-R-LPFG扭率时并没有观察到η小于3.6°/毫米左右。遗憾的是确切的物理机制负责观察到的现象还没有被完全理解。
(一)
(b)
(一)
(b)
3所示。特殊LPFGs传感应用
3.1。折射计
的透射光谱E-LPFGs的写作深度不同,但同样长度如图10。可以看出的写作效率的E-LPFG写作深度~ 35μm是高于~ 15μm自完成核心模式和高阶包层模式之间的耦合需要一个更大的折射率调制。
(一)
(b)
测量环境折射率在1.33 ~ 1.45的范围在室温下,写作深度的E-LPFG ~ 15μ500 m和光栅周期μ使用m。长周期光纤光栅器件与传统相比,E-LPFG更高折射率的灵敏度,特别是在更高的折射率范围,如图11。谐振波长变化非线性折射率和波长的E-LPFG变化指数从1.33 ~ 24.2海里μ米至1.45μm。
应该注意的是,温度的变化会影响E-LPFG的折射率测量。然而,交叉效应可以减少雇佣G-ULPFG因为有几个共振峰具有不同温度和折射率敏感订单由于不同的耦合。
的折射率响应共振峰值和在室温下的数据所示12(一个)和12 (b),分别。如图12 (c),共振峰没有波长位移而共振峰非线性变化对短~ 22纳米波长的1.33到-1.45之间。但这两个共振峰转向同一方向用不同的温度敏感性。的温度范围从10°C到100°C,共振峰的温度敏感性和0.076 nm /°C和0.033 nm /°C,分别如图13。因此这种G-ULPFG可以用作折射率传感器温度自动补偿。较高的共振峰的原则是微分秩序是用来测量折射率而与低微分阶共振峰是用来测量温度的。折射率测量的误差根据其温度特征应该补偿。
(一)
(b)
(c)
3.2。扭力传感器温度自动补偿
人们已经发现,LPFGs捏造通过不同的方法演示不同的扭转反应。LPFGs引起紫外激光或机械压力不能用于合理应用扭转LPFGs捏造的电弧放电时,蚀刻或有限公司2激光辐照可用于同时测量扭转速度和方向(36,52,58- - - - - -61年]。然而,LPFGs引起的有限公司2SMF的激光也对温度变化敏感,导致错误的扭力测量(2]。消除温度变化的交叉影响,R-LPFG可以作为一个扭力传感器。一个时期的570长周期光纤光栅器件μm和28.5毫米的长度是捏造的扭曲的SMF转折时期的30毫米,然后逐渐释放。T-LPFG的透射光谱和R-LPFG如图14,展示波长分裂现象。每两再生波长之间的分离与应用扭转共振峰值的变化,如图(15日)和15 (b)对扭力测量,使它有用。
(一)
(b)
与光栅的温度实验50-period R-LPFG时期的570年μm和转折段50 mm如图16。可以看出两个分裂的温度敏感波长相同的价值~ 0.07 nm /°C和两个共振峰的振幅与温度的变化很小。因此,应用扭转可以通过跟踪测量没有温度交叉影响波长分离。
3.3。应变传感器
雕刻周期形成的凹槽与长周期光纤光栅器件有限公司2激光的应变灵敏度为0.12 nm /με范围从0到100με但患有温度干扰(3]。尽管R-LPFGs可以作为应变传感器与温度自动补偿(62年)的应变敏感性R-LPFG只是~ 0.0053 nm /με。像R-LPFGs波长分割也发生在G-R-LPFGs应用扭转时释放,如图17。此外,实验结果表明,温度敏感性的和相隔33.6 0.072 nm /°C和0.0726 nm /°C,分别,这表明它是对温度不敏感的振动。
的应变响应和如数据所示(18日)和18 (b),分别。在700με的应变敏感性和−0.05237 nm /με和+ 0.053 nm /με,分别。两个波长的函数之间的分离菌株图所示18 (c),证明G-R-LPFG的应变灵敏度为0.1067 nm /με当应变小于700με。G-R-LPFG的敏感性远高于R-LPFG(~ 20倍)。
(一)
(b)
(c)
4所示。解调的LPFGs
4.1。波长偏移
大多数以来LPFG-based传感器是由波长解调的转变很容易跟踪的转变的帮助下光学频谱分析仪(阻塞性睡眠呼吸暂停综合症)。然而,阻塞性睡眠呼吸暂停综合症通常非常昂贵和笨重,增加的成本和减少测量系统的灵活性。此外,长周期光纤光栅器件的带宽比这更广泛的光纤光栅,这意味着它需要更高分辨率阻塞性睡眠呼吸暂停综合症尽量减少测量误差。另一个不便解调LPFGs是光源和解调终端分离自LPFGs在传输模式下工作。克服困难,倒了长周期光纤光栅器件的透射谱,把镜子覆盖地区的光纤端面反射只包层模式(63年]。最后面对镜子可以通过四个步骤来实现:(一)长周期光纤光栅器件制造一个,(b)做出polymetric microtip使用光敏聚合物,(c)与溅射沉积外套光纤端面,(d)打破microtip下CCD相机。典型的光栅结构如图19。然而,长周期光纤光栅器件固有的广泛的带宽限制了测量的精度测量时实现了波长位移的方法。
4.2。强度解调
对于一些LPFGs,共振的振幅峰值应变变化,环境折射率或其他扰动,导致LPFGs可以通过监测振动共振峰强度解调技术。王等人提出的一个解决方案强度解调图所示19(7]。光从宽带光源LED对称谐振波长附近的频谱同样是长周期光纤光栅器件的由三分贝耦合器(分成两部分),然后说明了光纤光栅1和光纤光栅2与布拉格波长的和,分别。和应该特别挑选的满足的关系。光纤光栅的光反射1和光纤光栅2针对一个PD和长周期光纤光栅器件收到了吗1和PD2,分别。通过减去强度和检测到PD1和PD2,强度波动和可以消除和温度敏感性也可以用这种方法增加了一倍。
检测强度强度解调的另一种解决方案是在特定波长略高于共振波长(64年]。因此只有单色源长周期光纤光栅器件需要照亮和堆芯功率的变化可能是由功率计测量,降低了成本,但增加了系统的鲁棒性。它也方便实现实时测量使用这种方法。然而,它有长周期光纤光栅器件的测量范围的限制问题,因为是对称的长周期光纤光栅器件的透射谱的谐振波长。
4.3。光纤环形激光器的调查
基于马赫曾德耳干涉仪的干涉型传感器(MZIs)两级联R-LPFGs也可以用作多通道带通滤波器,如图20(一个)。当MZI纳入标准光纤环形腔,最高强度的波长的透射谱MZI将被选择作为光纤环形激光器的激光波长(8]。和扭转的激光波长的变化应用于MZI。例如,光纤环形激光器的发射波长变化~ 16 nm的扭力范围±100 rad / m,如图20 (b)(8]。同时,该方法可以用来测量折射率,温度和压力。
(一)
(b)
与被动LPFG-based传感器相比,传感器解调利用光纤环形激光器可以实现更精确的测量由于光纤激光器窄线宽、高side-mode抑制率(~ 40 dB)。这可以从图中找到20 (b)的激光光纤光栅的光谱相似,这意味着所有适用于光纤光栅的解调方法可以用于解调LPFG-based干涉型传感器。
4.4。基于LPFGs遥感和光纤环形激光器
大多数LPFG-based传感器波长解调的转变,在一个昂贵的光学频谱分析仪(阻塞性睡眠呼吸暂停综合症)是必不可少的。而且是不方便的远程测量光源和阻塞性睡眠呼吸暂停综合症由长途长周期光纤光栅器件由于在传输方式工作。为了克服这个困难,长周期光纤光栅器件的透射谱,是反向通过镜子的包层区域光纤端面以反映包层模式。反射的包层模式耦合的长周期光纤光栅器件相同的核心,导致通过乐队集中在长周期光纤光栅器件的谐振波长。然而,长周期光纤光栅器件固有的广泛的带宽限制了测量的精度测量时实现了波长位移的方法。最近,一个遥感系统长周期光纤光栅器件的基础上,提出了光纤环形激光器(65年]。长周期光纤光栅器件的透射谱的阻带滤波器通带,倒成融合拼接一块HCF光栅。那么这样一个长周期光纤光栅器件反向是主人和奴隶环形激光器,采用光栅的同时作为波长选择器和传感器头。温度实验表明,这样一个系统可以测量温度超过1公里,灵敏度~ 0.02 nm /°C的范围内20 - 150°C。
遥感原理图如图21(65年]。带通特色长周期光纤光栅器件工作在反射模式同时用作传感器和带通滤波器,示意图见图(22日)。输入光耦合到包层和长周期光纤光栅器件的传播沿光纤包层模式和反映的cladding-air接口中空心纤维(霍夫)。霍夫的横截面的显微镜图所示22 (b),表明核心~ 13的直径μm。输入光传播在SMF核心泄漏到霍夫包层的折射率包层的核心在霍夫小于。和菲涅耳反射发生在core-air接口当SMF和HCF减少增加电弧放电的连接工具,推动距离SMF SMF和霍夫fusion-spliced。因此通带,而不是干扰形成的包层模式时输出耦合的核心。长周期光纤光栅器件的长周期光纤光栅器件的光谱和反射带通图所示23。
(一)
(b)
当长周期光纤光栅器件周围的温度逐渐增加20°C到150°C的步骤10°C和呆了10分钟每一步。激光输出波长位移如图(24日)和图24 (b),分别。这可以从图中找到(24日)激光输出非常类似于一个光纤光栅的反射谱。Re-LPFG的解调方法可以改变从原来的波长偏移完成阻塞性睡眠呼吸暂停综合症,光纤光栅已广泛应用,比如可调谐.过滤器,线性边缘滤波器和干涉仪。图24 (b)显示了这样一个传感器的温度灵敏度~ 0.02 nm /°C的范围内20 - 150°C。图中所示的测量误差的主要原因24 (b)激光的不稳定,这是由于固有的不对称光栅结构单面长周期光纤光栅器件irradiation-induced。已经证明了长周期光纤光栅器件的谐振波长,由单边有限公司2激光辐照方法转向~ 0.2 nm当两个正交极化光耦合到,长周期光纤光栅器件。带通的中心波长信号,决定了光纤环形激光器的激光波长的变化也是敏感的极化状态(SOP)。测量误差可以改善如果好对称LPFGs捏造multiedge接触的有限公司2激光或旋转曝光过程中纤维。此外,阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的分辨率极限也会导致错误。
(一)
(b)
5。结论
提出了审查的特殊LPFGs通过扫描制作有限公司2激光器,包括edge-written LPFGs LPFGs / ULPFGs与周期性的凹槽,在扭曲的纤维LPFGs捏造,与长周期光纤光栅器件扶轮凹槽。至于折射率传感器,扭力传感器或压力传感器,敏感的特殊LPFGs高于正常LPFGs引起的有限公司2激光。更重要的是,一些特殊LPFGs可以实现温度自动补偿,避免温度和其他被测变量之间的交叉影响。与波长位移和强度解调方法相比,光纤环形激光器调查方法更有竞争力,因为不需要宽带源和阻塞性睡眠呼吸暂停综合症和光纤光栅解调方法也可以使用。特殊LPFGs可以广泛用于光学传感领域由于其灵敏度高,温度自动补偿和简单的解调。
确认
这项工作是支持的项目下的中国自然科学基金会赠款。61007049和61007049的程序NCET(批准号ncet - 08 - 0602)。
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