專利名稱：一種光纖光柵的制作方法及使用該光纖光柵的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)，具體涉及一種在光子晶體光纖中，可同時(shí) 測(cè)量一維彎曲的曲率大小和彎曲方向的光纖光柵傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，光子晶體光纖引起人們廣泛的關(guān)注，與傳統(tǒng)光纖不同， 光子晶體光纖僅由一種材料(通常是純石英)構(gòu)成。這種光纖的截面
由三部分構(gòu)成纖芯、內(nèi)包層、外包層。纖芯和外包層均由純石英構(gòu) 成，內(nèi)包層在純石英基底上引入規(guī)則排布的空氣孔陣列，其中每個(gè)空 氣孔的大小、相鄰空氣孔的間距均相同，空氣孔直徑d、間距A—般 為幾個(gè)微米。多個(gè)空氣孔按三角形陣列排布，空氣孔陣列一般呈高度 的對(duì)稱性。纖芯可認(rèn)為是這個(gè)空氣孔陣列當(dāng)中通過(guò)缺失一個(gè)孔而引入 的缺陷。光纖截面結(jié)構(gòu)在光纖軸向上保持不變。
由于大量空氣孔的引入，內(nèi)包層的平均折射率低于純石英。因此， 光子晶體光纖可以依靠純石英纖芯與內(nèi)包層構(gòu)成的折射率梯度將光 限制在纖芯當(dāng)中。而外包層僅起支撐結(jié)構(gòu)和保護(hù)的作用。當(dāng)工作波長(zhǎng) 在1550nm附近時(shí)，要求當(dāng)空氣孔直徑與間距之比d/A<0.55，以保證 光纖單模傳輸，即只支持基模(LP(H模)的傳導(dǎo)。當(dāng)空氣孔直徑與間 距之比d/AO,45時(shí)，光纖在任何波長(zhǎng)上都只支持單模傳輸。
利用光子晶體光纖特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可通過(guò)一些特別的手段制作 出新型的光纖器件。如在光纖內(nèi)包層的空氣孔中填充溫度敏感材料、 液晶等具有某種光學(xué)特性的液體，或利用高能量的激光脈沖使光纖內(nèi) 的一些空氣孔發(fā)生塌陷等。光子晶體光纖技術(shù)的出現(xiàn)，為新型光纖器 件的研制提供了廣闊的平臺(tái)。
由于光子晶體光纖由純石英構(gòu)成，不具備對(duì)紫外光的光敏性，在這種光纖中制作長(zhǎng)周期光柵只能釆用C02激光器、電弧放電等方法， 利用熱效應(yīng)改變石英材料內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)或波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn) 材料折射率的調(diào)制。
長(zhǎng)周期光纖光柵是一種無(wú)源光纖器件，它是通過(guò)紫外照射、電弧 放電、激光熱效應(yīng)等方法，沿光纖軸向構(gòu)成的周期性幾何結(jié)構(gòu)變化或 折射率調(diào)制。這種光纖光柵將某一特定波長(zhǎng)(稱為諧振波長(zhǎng))的光耦 合到光纖包層當(dāng)中并損耗掉，從而在透射光譜當(dāng)中觀察到對(duì)應(yīng)的損耗 峰。長(zhǎng)周期光纖光柵是一種性能優(yōu)良的光纖傳感器，當(dāng)光柵受到外界 溫度改變、應(yīng)力應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)、彎曲等作用時(shí)，諧振波長(zhǎng)隨之發(fā)生變化。 通過(guò)光譜分析儀或其他儀器對(duì)波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行檢測(cè)，即可獲得外界作 用的信息。
長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)由公式(1)決定<formula>formula see original document page 5</formula>
其中ne。、 nd分別為光纖基模(傳導(dǎo)模式)和包層模式的有效折射率， Au^為光纖光柵的周期。也就是說(shuō)，當(dāng)外界作用改變這三個(gè)參數(shù)當(dāng)中 的任何一個(gè)時(shí)，諧振波長(zhǎng)就會(huì)改變。
當(dāng)長(zhǎng)周期光纖光柵發(fā)生彎曲時(shí)，I!c。、 兩個(gè)參數(shù)基本保持不 變，而包層模式的有效折射率nei發(fā)生改變，光纖光柵的諧振波長(zhǎng)隨 之發(fā)生漂移。通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移量，可得到彎曲曲率的大小。光纖光 柵彎曲傳感器可用于監(jiān)測(cè)建筑構(gòu)件和智能結(jié)構(gòu)的形變，在工程測(cè)量當(dāng) 中具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的光纖光柵具有圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，光柵沿著 任何一個(gè)方向彎曲時(shí)，其響應(yīng)(諧振波長(zhǎng)漂移狀況)都基本相同。這 一特性使傳統(tǒng)的光纖光柵無(wú)法滿足同時(shí)測(cè)量彎曲曲率大小和分辨彎 曲方向的實(shí)際工程需要。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述缺陷，本發(fā)明的目的就在于提供一種光纖光柵的制作 方法及使用該光纖光柵的傳感器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是釆用一種光纖光柵的制作 方法，該方法包括
51、 將光子晶體光柵置于已聚焦的激光器激光光斑的焦平面；
52、 利用所述激光光斑，按預(yù)定設(shè)置多次橫向掃描所述光子晶體 光柵；
一種光纖光柵傳感器，包括
寬帶光源，用于給光譜釆集模塊提供光源；
光子晶體光纖，其兩端通過(guò)單模光纖與所述寬帶光源和光譜釆集 模塊相連，用于感應(yīng)待測(cè)物的彎曲變形；
所述光譜釆集模塊，用于釆集所述彎曲變形的信息；
數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所釆集的彎曲變形的信息進(jìn)行分析和處 理，最終獲得彎曲變形的曲率大小和彎曲方向，
在所述光子晶體光纖中設(shè)有按照如上所述的方法制成的非對(duì)稱 長(zhǎng)周期光纖光柵。
其中，所述光子晶體光纖由單一的純石英材料制成，其截面包括
外包層；
內(nèi)包層，設(shè)于所述外包層的內(nèi)側(cè)，設(shè)有空氣孔陣列，所述空氣孔 陣列為四層或四層以上呈三角形陣列規(guī)則排布的空氣孔； 纖芯，所述空氣孔陣列缺失一個(gè)空氣孔而形成。 其中，所述空氣孔的直徑與間距之比小于0.55。 其中，所述非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵，由于所述空氣孔的塌陷而在 所述光子晶體光纖的外表面形成凹槽。
其中，使用時(shí)所述凹槽面向或背向待測(cè)物的外表面。 其中，還包括毛細(xì)管，其內(nèi)徑與所述非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵的外 徑相同。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于，能夠同時(shí)測(cè)量曲率大小和正負(fù)方向。


圖i是本發(fā)明所釆用的光子晶體光纖截面結(jié)構(gòu)示意圖2是利用C02激光器在光子晶體光纖中制作非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖
光柵的裝置示意圖3是光子晶體光纖中的非對(duì)稱長(zhǎng)周期光柵的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4 (a)、 (b)是傳感器工作原理示意圖5 (a)、 (b)分別為激光脈沖作用在光纖表面前后的截面結(jié)構(gòu)
圖5 (c)為光纖表面在激光脈沖作用之后留下的"凹槽"的示
意圖6是實(shí)際測(cè)得的諧振波長(zhǎng)隨著延凹槽方向的一維彎曲的變化 關(guān)系；
圖7是本發(fā)明的方向彎曲傳感器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的圖。 圖中100、截面；101、纖芯；102、內(nèi)包層；103、外包層；104、 空氣孔；201、 C02激光器；202、光子晶體光纖；203、光纖夾具； 204、單模光纖；205、寬帶光源；206、數(shù)據(jù)釆集模塊；301、凹槽； 701、光子晶體光纖；702、非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵；703、單模光纖； 704、寬帶光源；705、光譜分析儀；706、數(shù)據(jù)處理模塊；707、待測(cè) 結(jié)構(gòu)；708、毛細(xì)管。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。 如圖l所示，選取目前已商用化的無(wú)盡單模光子晶體光纖100，
該光纖僅由單一的純石英材料制成。光纖截面具有四層或以上規(guī)則排
布的空氣孔，其截面延光纖軸向不發(fā)生變化。光子晶體光纖100由三 部分組成纖芯IOI、內(nèi)包層102、以及外包層103。其中，纖芯101與外包層103由純石英構(gòu)成；內(nèi)包層102包含規(guī)則排布的空氣孔陣列， 由于空氣孔的引入，其平均折射率低于純石英。光子晶體光纖100依 靠纖芯101與內(nèi)包層102的折射率差實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)，將基模(LP01 模)限制在石英纖芯101中。空氣孔直徑為d，間距為A，當(dāng)工作波 長(zhǎng)在1550nm附近時(shí)，要求d/A0.55,以使光纖滿足單模傳輸條件。 如果d/A〈0.45,光纖在任何波長(zhǎng)只支持單模傳輸。
如圖2所示，光子晶體光纖中的非對(duì)稱長(zhǎng)周期光柵釆用C02激 光器201加工而成。C02激光器通過(guò)內(nèi)部掃描陣鏡的控制，可以使聚 焦的激光光束按照預(yù)先設(shè)置在焦平面內(nèi)進(jìn)行掃描。光子晶體光纖202 置于激光器光斑的焦平面上，光纖兩端分別被光纖夾具203固定。激 光器工作時(shí)，光斑沿垂直于光纖的方向橫掃過(guò)光纖，并通過(guò)熱效應(yīng)在 光纖內(nèi)部造成孔的塌陷和材料折射率的改變，接著，光斑在下一個(gè)點(diǎn) 重復(fù)這樣的掃描過(guò)程，該點(diǎn)與上一掃描點(diǎn)的距離為P......如此重復(fù)N
次，完成整個(gè)掃描過(guò)程。這樣就制成一根周期為P、包含N個(gè)周期的 非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵。光子晶體光纖通過(guò)傳統(tǒng)的單模光纖204分別 與寬帶光源205和光譜釆集模塊206連接，以觀察光柵諧振峰的生長(zhǎng) 情況。
圖3中，303是光子晶體光纖A-A線的截面，302是B-B線的截 面，如圖3所示，在掃描過(guò)程中，激光的熱效應(yīng)不僅造成局部的折射 率改變，還引起光纖的幾何形狀的改變，包括表面上形成明顯的凹槽 301和兩行空氣孔的塌陷和變形。因此，在掃描點(diǎn)處的光纖截面302 上，內(nèi)包層具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
如圖4所示，當(dāng)該光纖光柵朝向凹槽方向彎曲時(shí)，諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng) 波方向發(fā)生漂移，諧振波長(zhǎng)量隨曲率線性增加；當(dāng)背向凹槽方向彎曲 時(shí)，諧振波長(zhǎng)向短波方向發(fā)生漂移，諧振波長(zhǎng)量隨曲率線性減小，且 變化的靈敏度與朝向凹槽方向彎曲時(shí)相同。若分別將背向和朝向凹槽 方向彎曲認(rèn)為是這個(gè)一維彎曲方向的正、負(fù)方向，則諧振波長(zhǎng)與彎曲曲率的變化關(guān)系可表示為X=、+kxC。其中Xo為光纖光柵處于自由狀 態(tài)時(shí)的諧振波長(zhǎng)，入為在施加一定彎曲C時(shí)的諧振波長(zhǎng)，k為彎曲靈 敏度。當(dāng)對(duì)光纖光柵施加一沿著凹槽的彎曲時(shí)，可通過(guò)測(cè)量諧振波長(zhǎng) X的值，同時(shí)得到曲率大小和正負(fù)方向。 實(shí)施例l
如圖5所示，本發(fā)明的實(shí)施例1所使用的光子晶體光纖是 Crystal-FiberA/S的LMA10光纖，其截面如圖5a所示，它是由純石 英構(gòu)成，是采用"堆砌-拉制"法制成的。光纖含四層空氣孔，空氣 孔按照三角形陣列規(guī)則排布。空氣孔直徑3.5jam ,空氣孔間距為 7.8pm 。由于空氣孔直徑與間距之比小于0.45,因此，光纖在任何波 長(zhǎng)上都只支持單模傳輸。長(zhǎng)周期光纖光柵702是釆用C02激光器在光
子晶體光纖中制作而成。激光脈沖的能量參數(shù)及掃描軌跡均有計(jì)算機(jī) 進(jìn)行控制。C02激光器的重復(fù)頻率為1000Hz，平均輸出功率是O.IW， Q開(kāi)關(guān)時(shí)間為4.2ps。激光光斑掃描速度為3.2mm/s。光纖光柵702 周期為420pm,包含10個(gè)周期，長(zhǎng)度為10x420fim=4.2mm。光纖光 柵的制作過(guò)程中釆用寬帶光源和光譜分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，C02激光 器經(jīng)過(guò)4次完整的掃描，光柵諧振峰深度達(dá)到25dB，整個(gè)光纖光柵 601的制作過(guò)程完成。如圖5b和圖5c所示，經(jīng)過(guò)激光脈沖的掃描過(guò) 程，光纖表面形成了明顯的凹槽狀"凹槽"，凹槽深度約為13pm, 寬度約為70pm。光子晶體光纖內(nèi)包層中有兩行外層空氣孔塌陷，從 而形成非對(duì)稱形狀的內(nèi)包層。
圖6所示為光纖光柵的諧振波長(zhǎng)隨著沿凹槽方向彎曲的變化關(guān) 系的測(cè)量結(jié)果。諧振波長(zhǎng)基本上隨著彎曲線性變化，經(jīng)過(guò)直線擬合， 得到諧振波長(zhǎng)與 曲率的關(guān)系為 X(nm)=1530.25(nm)+2.26(nm/mm-l)xC(mm-l)。在實(shí)際測(cè)量中，通過(guò) 對(duì)諧振波長(zhǎng)的測(cè)量，即可得到夕卜界曲率 C(mm-l)=(Xnm-1530.25nm)/2.26(nm/mm-l)。 C的絕對(duì)值為所施加曲率的大小，C值的正、負(fù)號(hào)，分別表示彎曲的方向是背向凹槽和朝向凹 槽。
圖7所示的是測(cè)量結(jié)構(gòu)彎曲狀況的一個(gè)例子。在光子晶體光纖 701中制作的長(zhǎng)周期光柵702通過(guò)單模光纖703分別與寬帶光源704 和光譜分析儀705相連。數(shù)據(jù)處理模塊706將光譜分析儀705釆集的 光譜信息進(jìn)行分析和處理，并最終得到光纖光柵702所感測(cè)到的彎曲 曲率大小和正負(fù)方向。
在實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先將光纖光柵702套在塑料毛細(xì)管708中，再 將毛細(xì)管用膠粘劑粘貼在懸臂梁707的表面上。毛細(xì)管708內(nèi)壁光滑， 內(nèi)壁直徑與光纖光柵702外徑相同，以保證光纖光柵702只受到純彎 曲的作用。若光纖光柵702的表面凹槽朝上，當(dāng)懸臂梁朝上彎曲時(shí)， 光纖光柵朝向凹槽方向彎曲，諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移；當(dāng)懸臂梁朝 下彎曲時(shí)，光纖光柵702背向凹槽方向彎曲，諧振波長(zhǎng)向短波方向漂 移。若光纖光柵702的表面凹槽朝下，當(dāng)懸臂梁朝上彎曲時(shí)，光纖光 柵背向凹槽方向彎曲，諧振波長(zhǎng)向短波方向漂移；當(dāng)懸臂梁朝下彎曲 時(shí)，光纖光柵602朝向凹槽方向彎曲，諧振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移。由 于光纖光柵702長(zhǎng)度非常小，彎曲的測(cè)量值僅代表其所貼附位置的彎 曲和形變情況。如果在一個(gè)大型結(jié)構(gòu)表面布置多個(gè)這種光纖傳感器， 可全面反映待測(cè)結(jié)構(gòu)的形變情況。
以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員能夠顯而易見(jiàn)地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種光纖光柵的制作方法，其特征在于，該方法包括S1、將光子晶體光柵置于已聚焦的激光器激光光斑的焦平面；S2、利用所述激光光斑，按預(yù)定設(shè)置多次橫向掃描所述光子晶體光柵；S3、制作具有周期性折射率調(diào)制和結(jié)構(gòu)變化的非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵。
2、 一種光纖光柵傳感器，包括 寬帶光源，用于給光譜釆集模塊提供光源；光子晶體光纖，其兩端通過(guò)單模光纖與所述寬帶光源和光譜釆集 模塊相連，用于感應(yīng)待測(cè)物的彎曲變形；所述光譜釆集模塊，用于采集所述彎曲變形的信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所采集的彎曲變形的信息進(jìn)行分析和處 理，最終獲得彎曲變形的曲率大小和彎曲方向，其特征在于，在所述光子晶體光纖中設(shè)有按照權(quán)利要求l所述的 方法制成的非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵。
3、 如權(quán)利要求2所述的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述光子晶體光纖由單一的純石英材料制成，其截面包括 外包層；內(nèi)包層，設(shè)于所述外包層的內(nèi)側(cè)，設(shè)有空氣孔陣列，所述空氣孔 陣列為四層或四層以上呈三角形陣列規(guī)則排布的空氣孔； 纖芯，所述空氣孔陣列缺失一個(gè)空氣孔而形成。
4、 如權(quán)利要求3所述的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述空 氣孔的直徑與間距之比小于0.55。
5、 如權(quán)利要求3所述的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述非 對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵，由于所述空氣孔的塌陷而在所述光子晶體光纖 的外表面形成凹槽。
6、 如權(quán)利要求5所述的光纖光柵傳感器，其特征在于，使用時(shí) 所述凹槽面向或背向待測(cè)物的外表面。
7、 如權(quán)利要求2 6中的任一項(xiàng)所述的光纖光柵傳感器，其特征在于，還包括毛細(xì)管，其內(nèi)徑與所述非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵的外徑相 同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，包括寬帶光源，用于給光譜采集模塊提供光源；光子晶體光纖，其兩端通過(guò)單模光纖與所述寬帶光源和光譜采集模塊相連，設(shè)有用于感應(yīng)待測(cè)物彎曲變形的非對(duì)稱長(zhǎng)周期光纖光柵；所述光譜采集模塊，用于采集所述彎曲變形的信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所采集的彎曲變形的信息進(jìn)行分析和處理，最終獲得彎曲變形的曲率大小和彎曲方向。本發(fā)明能夠同時(shí)測(cè)量曲率大小和正負(fù)方向。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101539644SQ20091008277
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者于秀娟, 廖延彪, 敏 張, 龍 金, 陳明華, 偉 靳 申請(qǐng)人:清華大學(xué)