基于飞秒激光直写的高折射率光纤光栅传感器

李 驰,鲁志琪,任 杰,彭 敏,刘昌宁

(湖北师范大学 物理与电子科学学院,湖北 黄石 435002)

0 引言

光纤传感器种类繁多[1-3],而光纤光栅作为光纤系统中的重要元件之一,其具有小型化、响应速度快、抗电磁干扰、高灵敏度、高精度、耐高温、耐腐蚀等优点[4-5],被广泛用于温度测试、折射率测量[6]、应变测试[7]等领域。按照周期大小,光纤光栅可分为长周期光纤光栅(LPFG)和布喇格光纤光栅(FBG)。FBG通常指周期低于1 μm的光纤光栅,又称为反射光栅[8-10];LPFG指周期数为几十或几百微米的光纤光栅,又称为透射光栅[11]。传统的LPFG制作方法有紫外曝光掩膜法[12]、高频CO2激光器逐点写入法[13]和腐蚀刻槽法[14]等,但这些方法在光纤载氢处理、高温稳定性、机械强度和灵敏度方面都有不同程度的缺陷。飞秒激光直写是一种新兴的刻写光纤光栅的方法,近年来成为国内外的研究热点[15-17]。

2010年,Liu等[18]使用飞秒红外光束聚焦到PCF的多孔玻璃内包层区域制成LPFG,得到强度26 dB的谐振峰, LPFG结构的传感头可在800 ℃下运行30 h,具有良好的稳定性。2011年,Li等[19]开发了一种改进的逐点刻制方法,通过使用800 nm,35 fs的激光器制作衰减峰值达到20 dB的LPFG,其温度敏感性为0.091 nm/℃,且在600 ℃时显示出较高的温度稳定性。2012年,Sun等[20]使用飞秒激光逐点刻写标准单模光纤得到谐振峰在1 300 nm附近的LPFG,在3 N的拉力下,其衰减超过16 dB,带宽为7 nm,损耗几乎为0。2022年,Chen等[21]使用513 nm的飞秒激光制作了一种螺旋形LPFG,引入新的调制参数——螺旋路径半径,为螺旋形LPFG的制备和应用提供了新的自由度。综上所述,飞秒激光直写LPFG传感器技术已在传感测量领域取得巨大进展,研究价值较高。

本实验设计并搭建了基于波长为800 nm的红外飞秒激光制作LPFG的加工系统,制作了栅区长度为7.5 mm的LPFG,并分别对温度、轴向应变和折射率3个参量进行分析。实验发现,该LPFG传感器具有较高的折射率灵敏度,在生物化学领域具有一定的应用前景。

1 传感器制作与原理分析

1.1 传感器制作过程

传感器采用标准单模光纤和细芯光纤制作。标准单模光纤(SMF)由武汉长飞光纤光缆有限公司生产,纤芯直径∅9 μm,包层直径∅125 μm;细芯光纤(TCF)纤芯直径∅3.8 μm,包层直径∅125 μm。飞秒激光器加工示意图如图1所示,所使用能量为0.65 μJ。传感器的制作过程如下:首先取一段2 cm的TCF,剥去其涂覆层,并在其两端熔接上SMF;然后采用800 nm飞秒激光在TCF上逐点刻写出长周期光栅(LPG),功率为650 μw,所得光栅参数为:光栅周期为150 μm,光栅数为50个,占空比为1∶1,如图2所示。

图1 飞秒激光加工系统图

图2 光纤光栅实物图

1.2 传感器基本原理

根据长周期光栅的模式耦合理论,其纤芯基模与同向包层模式之间的耦合满足相位匹配条件:

(1)

式中:βco为向前传输的基模传播常数;βcl为同向的包层模传播常数;Λ为长周期光栅的周期。

传播常数为

(2)

式中:neff为模式有效折射率;λ为光的波长。

由式(1)、(2)可得:

(3)

剥去涂覆层后,包层内的光传输因受外界环境的影响而发生变化,纤芯与包层的有效折射率之差Δneff发生改变;受到温度和轴向力影响时,光栅周期Λ发生改变;对应变化程度的不同,谐振波长会发生不同程度的红移或蓝移,以此观察漂移量可以得到外界参量(如温度、折射率、应力等)的变化量。本文在细芯光纤上刻蚀光栅,其纤芯直径仅为∅3.8 μm,与飞秒激光划线的宽度基本相等。激光经过横向光栅时只能从包层中传播,这能增加器件对外界环境的敏感度。

2 实验过程与结果分析

图3为实验装置示意图。本实验中使用的仪器包括低偏振超宽带光源(北京康冠世纪,QS 15091601) ,光谱范围为1 250～1 650 nm;光谱分析仪(日本横河,AQ 6370D) 测量范围为600～1 700 nm,精度为±0. 01 nm。

图3 实验装置及传感器示意图

2.1 折射率实验

室温下配置16组不同浓度的甘油溶液,用阿贝折射仪测量得到其折射率范围为1.333 0～1.430 5。将结构两端的SMF分别连接到光谱仪和宽带光源,拉直传感结构,得到其在空气中的初始谱;然后将结构浸泡在清水中,记录此时的光谱,如图4所示,取dip1,dip2,dip3为研究对象。

图4 传感器在空气中和加水后的初始光谱图

取出结构后置于配置好的不同折射率的甘油溶液中,以dip1为研究对象,观察其光谱变化,待光谱稳定后再进行记录;取出结构并清洗干净,待其回归到与清水谱线重合后进行下一组甘油溶液的光谱测量。全部完成后分析数据,得到谱线的漂移情况如图5所示。

图5 折射率透射谱漂移图

如图6所示,当折射率升高,谐振波谷dip1发生红移,中心波长逐渐增大。折射率处于1.333 0～1.383 3时,传感器的灵敏度达到199.8 nm/RIU;折射率处于1.383 3～1.407 4时,传感器的灵敏度为369.8 nm/RIU;折射率处于1.420 5～1.430 5时,传感器的灵敏度最高可达1 605 nm/RIU,灵敏度较高。

图6 折射率实验拟合图

2.2 温度实验

LPFG传感器还能用于温度传感。当温度改变时,光栅受热膨胀,栅距改变,导致中心波长发生漂移,由此可得温度与谐振波谷的对应关系。将LPFG穿过管式炉,并将两端的SMF固定在宽带光源和光谱仪上。设置管式炉程序,使其由30 ℃均匀上升至330 ℃,每隔30 ℃保持温度5 min,谱线稳定后记录一组数据。实验完成后整理数据,得到如图7所示的漂移图,由图可见,随着温度升高,谐振峰dip2发生红移。图8为温度实验拟合图。由图8可见,灵敏度达到72.65 nm/℃,线性拟合度R2=0.979 2,说明传感器线性度良好。

图7 温度实验漂移图

图8 温度实验拟合图

2.3 轴向应变试验

当光纤光栅受到轴向应力时,光栅周期受到拉伸而增大,谐振峰的中心波长发生改变。将传感器两端的SMF接入宽带光源和光谱仪,并将SMF用AB胶固定在位移平台上,待其完全固化后,调节位移平台使传感器处于拉直状态,记录此时两点胶之间的距离d,然后开始轴向应变实验。转动位移平台右侧千分尺旋钮,每转动0.02 mm记录一次传感器的透射谱。轴向应变公式为

(4)

式中:Δd为位移平台的总移动量;d为传感器处于初始拉直状态时两处AB胶固定之间的距离;ε为实验中的轴向应变量。

图9为轴向应变实验漂移图。由图可见,随着光纤拉伸量的逐渐增加,谐振峰dip3的中心波长发生红移。图10为轴向应变实验拟合图。由图10可见,传感器的轴向应变灵敏度为0.636 8 pm/με,R2=0.992 2,这说明传感器对于应变不敏感且线性度优良,说明轴向应变对其他实验测量的影响可以忽略。

图9 轴向应变实验漂移图

图10 轴向应变实验拟合图

3 结束语

本文提出并制作了一种基于飞秒激光直写的光纤光栅传感器。通过分析传感器的透射光谱与折射率、温度、轴向应力的变化关系,得到在1.333 0～1.430 5折射率范围内,灵敏度最高能达到1 605 nm/RIU,线性度良好。另外,该传感器在30～330 ℃时,灵敏度达到76.52 nm/℃,线性拟合度为0.979 2。该传感器对于应变不敏感,灵敏度仅为0.636 8 pm/με,线性拟合度达到0.992 2,其鲁棒性优良。该传感器制作简单,灵敏度较高,在折射率和温度传感领域具有一定的应用前景。