本發(fā)明涉及光纖測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測量溫度的方法。

背景技術(shù)：

光纖光柵在光纖激光器和光纖傳感領(lǐng)域的研究和應(yīng)用非常重要，光柵周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵(Long period fiber grating,LPFG)，其特點是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間耦合，基本無后向反射光，屬于透射型帶阻濾波器。與光纖布拉格光柵相比(Fiber Bragg grating,FBG)，長周期光纖光柵的諧振波長和諧振強(qiáng)度對外界環(huán)境的變化非常敏感，具有更大的溫度靈敏度系數(shù)，作為溫度傳感器能夠?qū)?00℃的高溫進(jìn)行測量；同時，在光纖激光器領(lǐng)域，利用其敏感特性可以對透射譜峰進(jìn)行調(diào)諧，作為可調(diào)諧濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)波長可切換激光輸出。因此，長周期光纖光柵具有更多的優(yōu)點，在光纖傳感和光纖激光領(lǐng)域具有更大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

相比于以上介紹的長周期光纖光柵的傳統(tǒng)制備方法，利用飛秒激光光源，采用逐點刻寫方法在各種光纖內(nèi)制作布拉格光柵用于光纖傳感和光纖激光等領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為熱點。飛秒激光加工技術(shù)具有傳統(tǒng)激光加工技術(shù)中加工精高度、操作簡便、效率高的技術(shù)特點，又憑借其飛秒量級的超短脈寬和帕瓦量級的超強(qiáng)峰值功率在光纖微納材料的高精密、高分辨率和低損傷的加工中顯示出其獨特的優(yōu)勢?，F(xiàn)在飛秒激光制備光纖光柵主要是掩模法，掩模法是指將掩模板放置于光纖上方，采用飛秒激光照射工作波長為800nm的掩模板，使光纖纖芯發(fā)生折射率變化。雖然該方法成柵一致性較好，但是由于掩模板成本較高，且制備長周期光纖光柵靈活性較差。另外，長周期光纖光柵透射譜較寬，在實際測量中容易受到環(huán)境變化的影響，容易對溫度測量的精確度造成誤差。

因此，需要一種有效降低透射譜的寬度，提高測量的精確度的熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測量溫度的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個方面在于提供一種熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測量溫度的方法，所述溫度測量方法包括如下步驟：

a、搭接雙程MZ結(jié)構(gòu)，所述雙程MZ結(jié)構(gòu)包括光源、第一光耦合器、第二光耦合器以及第一光纖、第二光纖、第三光纖和第四光纖；其中

所述第一光纖與第二光纖熔接在所述第一光耦合器與第二光耦合器之間，所述第三光纖和第四光纖的一端與第二光耦合器連接；

b、將長周期光纖光柵熔接到所述雙程MZ結(jié)構(gòu)中，其中將長周期光纖光柵的光纖兩端分別與第三光纖和第四光纖熔接，所述長周期光纖光柵構(gòu)成雙程馬赫曾德結(jié)構(gòu)的反射端，其中

第三光纖和第四光纖選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖；

c、將b熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)置于溫控箱中，改變溫控箱的溫度，選取長周期光纖光柵的波谷為采樣點，利用光譜儀監(jiān)測波長移動；

d、利用步驟c監(jiān)測到的波長移動繪制波長與溫度變化的關(guān)系曲線，利用所述關(guān)系曲線對待測溫度進(jìn)行測量。

優(yōu)選地，通過長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)制備所述長周期光纖光柵。

優(yōu)選地，所述改變溫控箱的溫度采用逐漸升高溫度或逐漸降低溫度的方式。

優(yōu)選地，所述長周期光纖光柵進(jìn)行溫度曾敏處理。

本發(fā)明的另一個方面在于提供一種長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)，所述長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)包括光纖激光、波分復(fù)用器、摻銩光纖、單模光纖、高精度移動平臺、飛秒激光器和光譜儀，所述單模光纖搭接在所述高精度移動平臺上，一端連接光纖激光、另一端連接光譜儀，在所單模光纖的刻寫區(qū)域熔接細(xì)芯光纖。

優(yōu)選地，所述飛秒激光器設(shè)置在所述高精度移動平臺上方，使所述飛秒激光器發(fā)射的激光與所述細(xì)芯光纖相互垂直，在所述飛秒激光器激光發(fā)射口設(shè)置光閘。

優(yōu)選地，所述所述細(xì)芯光纖的纖芯直徑為10/125微米。

優(yōu)選地，所述光纖激光的波段選取1500～1620nm。

本發(fā)明由于雙程MZ結(jié)構(gòu)具有較窄的梳狀譜密度，而長周期光纖光柵的透射譜通常較寬，兩者結(jié)合，能夠有效降低透射譜的寬度，提高測量的精確度。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出本發(fā)明長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)；

圖2示出了本發(fā)明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)；

圖3示出了本發(fā)明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測量溫度的方法的流程圖；

圖4示出了本發(fā)明長周期光纖光柵波長與溫度變化的關(guān)系曲線。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

下文中闡釋本發(fā)明的一個實施例，具體而言本實施例中首先制備需要熔接在雙程MZ結(jié)構(gòu)中的長周期光纖光柵。應(yīng)當(dāng)理解的是，這里所述的雙程MZ結(jié)構(gòu)是雙程馬赫曾德結(jié)構(gòu)。

如圖1所示本發(fā)明長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)，本實施例中根據(jù)本發(fā)明提供的本發(fā)明長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)100刻寫長周期光纖光柵，所述長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)包括包括光纖激光101、波分復(fù)用器102、摻銩光纖104、單模光纖103、高精度移動平臺105、飛秒激光器107和光譜儀106，其中

單模光纖103搭接在高精度移動平臺105上，單模光纖103的一端通過波分復(fù)用器102連接光纖激光101、另一端連接光譜儀106，在單模光纖103的刻寫區(qū)域110熔接細(xì)芯光纖111，飛秒激光器107設(shè)置在所述高精度移動平臺105上方，使所述飛秒激光器107發(fā)射的飛秒激光與細(xì)芯光纖111相互垂直，在飛秒激光器107的激光發(fā)射口108前端設(shè)置光閘109用于對飛秒激光光路進(jìn)行調(diào)整，飛秒激光器107發(fā)射飛秒激光并進(jìn)行調(diào)制后，飛秒激光進(jìn)入高精度移動平臺105在細(xì)芯光纖111上刻寫形成長周期光纖光柵。本實施例中飛秒激光器107可以是在前、后、左、右四個方向移動，調(diào)節(jié)飛秒激光與細(xì)心光纖111的相對位置。

利用本發(fā)明實施例的上述長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)刻寫過程中，單模光纖103的另一端連接光譜儀106對長周期光纖光柵的刻寫過程進(jìn)行實時監(jiān)測，保證長周期光纖光柵刻寫的準(zhǔn)確性。

本實施例中優(yōu)選細(xì)芯光纖的纖芯直徑為10/125微，光纖激光101的波段選取1500～1620nm。本實施例刻寫的長周期光纖光柵的透射波長在1.5微米波段，將刻寫好的長周期光纖光柵與雙程MZ結(jié)構(gòu)結(jié)合進(jìn)行溫度標(biāo)定和測量。

如圖2所示本發(fā)明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)，熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)包括雙程MZ結(jié)構(gòu)和一段長周期光纖光柵208，這里的長周期光纖光柵208由本發(fā)明提供的長周期光纖光柵直寫系統(tǒng)制備，從而實現(xiàn)與雙程MZ結(jié)構(gòu)配套熔接，其中

雙程MZ結(jié)構(gòu)包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纖203、第二光纖204、第三光纖206和第四光纖207。

第一光纖203與第二光纖204熔接在所述第一光耦合器202與第二光耦合器205之間，所述第三光纖206和第四光纖207的一端與第二光耦合器205連接。長周期光纖光柵208熔接到所述雙程MZ結(jié)構(gòu)中構(gòu)成熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)，其中

熔接方式為：長周期光纖光柵208的光纖兩端分別與第三光纖206和第四光纖207熔接，長周期光纖光柵208構(gòu)成雙程MZ結(jié)構(gòu)的反射端。本實施例中第三光纖207和第四光纖208選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖，從而保證與纖芯直徑為10/125微的長周期光纖光柵配套熔接。

本發(fā)明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測量溫度的方法借助熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)對溫度進(jìn)行測量，為了更加清楚的說明，本實施例示例性的本發(fā)明的溫度測量方法進(jìn)行闡釋，如圖3所示本發(fā)明熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)測量溫度的方法的流程圖，具體而言，所述溫度測量方法包括如下步驟：

步驟S101、搭接雙程MZ結(jié)構(gòu)，所述雙程MZ結(jié)構(gòu)包括光源201、第一光耦合器202、第二光耦合器205以及第一光纖203、第二光纖204、第三光纖206和第四光纖207；其中

第一光纖203與第二光纖204熔接在所述第一光耦合器202與第二光耦合器205之間，所述第三光纖206和第四光纖207的一端與第二光耦合器205連接。

步驟S102、雙程MZ結(jié)構(gòu)中熔接長周期光纖光柵208，將長周期光纖光柵208熔接到所述雙程MZ結(jié)構(gòu)中，其中將刻有長周期光纖光柵的光纖兩端分別與第三光纖206和第四光纖207熔接，使長周期光纖光柵208構(gòu)成雙程MZ結(jié)構(gòu)的反射端，其中

第三光纖206和第四光纖207選用纖芯直徑為10/125微米的SMF-28E光纖，對熔接的長周期光纖光柵進(jìn)行溫度曾敏處理。

步驟S103、將步驟S102中熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)置于溫控箱中，改變溫控箱的溫度，選取長周期光纖光柵的波谷為采樣點，利用光譜儀監(jiān)測波長移動。改變溫控箱的溫度采用逐漸升高溫度或逐漸降低溫度的方式，本實施例優(yōu)選采用逐漸升高溫度的方式。

步驟S104、利用步驟步驟S103監(jiān)測到的波長移動，繪制波長與溫度變化的關(guān)系曲線，利用所述關(guān)系曲線對待測溫度進(jìn)行測量。

為了對本發(fā)明的內(nèi)容做出更加清楚的說明，下面對MZ結(jié)構(gòu)的干涉原理做具體說明：

光源發(fā)射光強(qiáng)為I的光進(jìn)入MZ結(jié)構(gòu)，其中光強(qiáng)I滿足

其中I₁、I₂和分別為細(xì)芯光纖中纖芯和包層的光強(qiáng)和相移差，且

其中，n₁和n₂分別為纖芯和包層的有效折射率，L₁和L₂分別為光束在纖芯和包層中傳輸?shù)拈L度。由于干涉臂長度相等，且存在折射率差Δn，則有

由公式(1)和公式(3)可知，傳輸譜中的峰值發(fā)生在滿足下式的波長處，其中m為整數(shù)

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

經(jīng)過簡化，公式(4)表示為

m＝LΔn/λ (5)

對公式(5)中λ進(jìn)行求導(dǎo)可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波長λ處傳輸譜中相鄰峰值的波長間隔為

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)

由公式(7)可知，MZ結(jié)構(gòu)的梳狀譜中，相鄰峰值的波長間隔與中心波長有關(guān)。當(dāng)中心波長一定時，相鄰峰值的波長間隔是細(xì)芯光纖長度和纖芯與包層間折射率差的函數(shù)。

本發(fā)明的實施例在MZ結(jié)構(gòu)干涉原理的基礎(chǔ)上，采用了雙程MZ結(jié)構(gòu)，雙程MZ的透射光譜調(diào)制深度是單程MZ的2倍，具有較窄的梳狀譜密度。

實施中的上述溫度測量方法將長周期光纖光柵與雙程MZ結(jié)構(gòu)熔接進(jìn)行長周期光纖光柵溫度標(biāo)定。標(biāo)定過程中，熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)置于溫控箱中，光由光源201發(fā)射有第一耦合器202分成兩束，分別進(jìn)入第一光纖203和第二光纖204，經(jīng)過第二耦合器205將兩束光進(jìn)行耦合后再次分成兩束后，分別進(jìn)入第三光纖206和第四光纖207，之后由長周期光纖光柵208反射。

同時，改變溫控箱的溫度，隨著溫度升高長周期光纖光柵的波長向長波方向移動，選取長周期光纖光柵的波谷為采樣點，繪制長周期光纖光柵與溫度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示本發(fā)明長周期光纖光柵波長與溫度變化的關(guān)系曲線。對待測環(huán)境溫度測量時，將熔接長周期光纖光柵的雙程MZ結(jié)構(gòu)置于環(huán)境中，通過光譜儀采集波長移動，通過繪制的曲線得到待測環(huán)境溫度。

本發(fā)明中由于雙程MZ結(jié)構(gòu)具有較窄的梳狀譜密度，而長周期光纖光柵的透射譜通常較寬，因此將兩者結(jié)合，能夠有效降低透射峰的寬度，提高測量的準(zhǔn)確度。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。