[发明专利]光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法

说明书

本发明公开光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；3）锥型FBG光谱标定测试，首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器放置于等强度梁表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。可避免电磁干扰，耐高温，可实现温度应变折射率同时测量。同时，其结构及制作工艺简单，可靠性好、灵敏度高。

技术领域

本发明属于光纤传感器件领域，具体涉及一种光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法。

背景技术

光纤传感器具有诸多优良特性，可实现复杂环境下的测量工作具有非常广泛的应用价值。它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等特点，且光纤尺寸微小，具有良好的光传输性能。在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）是常见的传感器件，具有结构简单、体积小、动态范围大、灵敏度高等优势，在航空航天、桥梁水利、周界安防、生物医学等重要领域中受到广泛关注。FBG是一种在纤芯内形成的空间相位周期性分布的栅类结构，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。当外界应变变化时，光纤光栅受轴向应力影响而出现相对位移，从而使得反射波长产生漂移。通过解调波长漂移的范围，可以直观计算出外界应变的变化。

然而，如何改变传统光纤应变传感器单点检测的局限性、扩展检测对象范围，是光纤应变传感器的发展方向。普通光纤光栅传感器为圆柱型结构，折射率不能改变栅类结构之间的相对位移，因而无法直接对周围环境的折射率特性进行检测。通过电弧放电制备光纤锥型结构，增强光纤光场内模式传输的倏逝场。由于光纤内能量出射的强度与方向取决于包层与周围环境的折射率差值，故当外界环境折射率产生变化时，可通过光纤内光强信号的变化对其进行解调，实现折射率的传感。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，通过电弧放电制备光纤锥型结构，并在此光纤锥型结构上使用飞秒激光直写制备FBG。同时，其结构及制作工艺简单，可靠性好、灵敏度高。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；

2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；

3）锥型FBG光谱标定测试，首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；

4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器置于等强度梁表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。

作为本发明的一种优选，第一步，首先将两段SMF-28单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平单模光纤，放置于熔接机内熔接，采用纤芯对准方式对准；其次，将两段单模光纤对齐，调节放电强度与放电时间，进行两段单模光纤放电，熔接；同时，电极驱动马达将两段SMF-28单模光纤进行旋转拉伸，完成光纤锥型结构制作。

作为本发明的一种优选，第二步，首先将前一步骤制备的单模光纤锥形结构放置于三维移动平台上，保证视野清晰；再将飞秒激光光斑聚焦至纤芯上，采用直写方式在锥型区域上制备FBG传感器。

作为本发明的一种优选，第三步，光源采用波段范围为1520-1610nm的ASE光源。

作为本发明的一种优选，第三步，光谱分析设备使用Yokogawa公司的光谱分析仪，进行透射光谱的采集。