基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制作方法，包括依次连接的输入单模光纤、多段无芯光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段无芯光纤与上一段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段无芯光纤对轴熔接在一起，所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯之间通过光刻写直波导相连接，沿所述直波导光刻写光纤布拉格光栅。本发明专利技术通过飞秒激光在错位光纤结构上制作FBG，增加结构对应变的响应，使此结构上的FBG应变灵敏度高于普通石英光纤上制作的FBG。作的FBG。作的FBG。

【技术实现步骤摘要】
基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制造方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，尤其涉及一种基于错位熔接无芯光纤的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)应变传感器及其制造方法。

技术介绍

[0002]光纤布拉格光栅(FBG)是一种通过一定方法使光纤纤芯折射率沿轴向发生周期性调制分布的无源滤波器件，以其波峰峰位检测法有效提高了传感测量系统探测的灵敏性。随着飞秒激光技术在材料微加工处理领域的广泛应用，采用飞秒激光逐点直写FBG由于其快速稳定的优势，逐渐成为光纤光栅制作的主要方法。飞秒激光与透明介质发生作用，通过非线性效应诱导纤芯折射率改变进行光栅刻写，不要求光纤具有强的光敏性，而且刻写光栅具有高温度稳定性、窄线宽和大折射率调制等特性。
[0003]1978年，K.Hill等人使用488nm氩离子激光干涉驻波法在沿掺锗光纤纤芯轴向上形成周期性的折射率调制区域，制成了第一根光纤光栅。由于所利用的干涉驻波法对激光光源要求较高，制备效率较低，加工的光纤光栅光谱特性较差。Kondo等人在1999年首次提出了飞秒激光逐点刻写技术，开启了光纤光栅刻写的新纪元，光纤光栅的刻写不再受限于相位板，只需要调整平台移动速度与激光频率即可实现不同波长FBG的制作。2004年，Martinez等人在普通单模光纤上实现了C波段上一、二、三阶谐振的FBG制作。M.Aslund等人于2008年在单模光纤纤芯材料中利用800nm飞秒激光器逐点刻写法实现了FBG结构。经过不断的研究创新和积累，飞秒激光技术突破了紫外激光刻写技术的限制，已经成功的在各种类型光纤中刻写光栅结构，使FBG的结构类型多样化，为实际应用研究提供了更为丰富广泛的选择。2015年，Jiang Nuan等人腐蚀单模光纤包层，在这些不同包层直径的光纤中刻写FBG，研究了包层直径与FBG应变灵敏度之间的关系。实验结果表明，包层直径从125μm降至57μm，应变灵敏度由0.578pm/με提升至2.57pm/με。2017年，Yang Tingting等人基于单多单光纤结构，成功在多模光纤内部制备了FBG并研究了高温对其应变灵敏度的影响，实验得到在温度700℃时其应变灵敏度可达1.66pm/με。2021年S.Sridhar等人将MoS2涂敷于去除了包层，仅留带有FBG的纤芯上，成功大幅提升了FBG的应变灵敏度，但由于光纤结构被严重破坏导致此传感器强度极低。
[0004]综上所述，目前为止对提高FBG应变灵敏的方法进行了多种尝试，但绝大部分具有显著提升的方法有着要求较高的前提条件或复杂的操作，不利于制作的同时还会严重影响光纤结构的稳定性与强度，不利于实际应用。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器及其制造方法，有效提高了石英光纤上FBG的应变灵敏度，容易制作且结构稳定可重复性高。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何增强FBG的应变
灵敏度，通过飞秒激光在错位光纤结构上制作FBG，增加结构对应变的响应，使此结构上的FBG应变灵敏度高于普通石英光纤上制作的FBG。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器，包括依次连接的输入单模光纤、多段无芯光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段无芯光纤与上一段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段无芯光纤对轴熔接在一起，所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯之间通过光刻写直波导相连接，沿所述直波导光刻写光纤布拉格光栅。
[0008]进一步地，所述输入单模光纤、输出单模光纤的包层直径均为125μm，所述输入单模光纤、输出单模光纤的纤芯直径为4至10μm；所述多段无芯光纤的直径均为125μm。
[0009]进一步地，所述多段无芯光纤为2至20之间的偶数段；每段无芯光纤的长度相同，均为200至2000μm；所述错位距离均为4至25μm。
[0010]进一步地，所述直波导的宽度为4至16μm；光纤布拉格光栅的周期为0.3至3μm。
[0011]本专利技术还提供了一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器的制造方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1、无芯光纤错位结构的制作：先将剥去涂覆层的单模光纤与无芯光纤对向错位熔接到一起，以选定的长度切断无芯光纤，以单模光纤中心轴为基准，之后的每段无芯光纤上下对向错位一段相同距离进行熔接，最后将另一单模光纤对准中心轴熔接在末尾一段无芯光纤上；
[0013]步骤2、飞秒激光刻写直波导：将错位结构固定在三维精密位移平台上，在光纤周围滴折射率匹配液使其被浸没，再对光纤进行水平和垂直方向的校准；使两侧单模纤芯在同一直线，同一水平面且与飞秒激光器镜头保持相同距离；在飞秒激光控制软件上设置直波导写入的各项参数，采用直写技术写入直波导，连接两端单模光纤的纤芯；
[0014]步骤3、飞秒激光刻写光纤布拉格光栅：设置光栅写入的各项参数，采用直写技术在制作好的直波导上写入点状光栅。
[0015]进一步地，所述步骤1中的所述单模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为4至10μm，所述无芯光纤的直径为125μm。
[0016]进一步地，所述步骤1中的所述无芯光纤的段数为2至20之间的偶数；每段无芯光纤的长度相同，均为200至2000μm；错位距离均为4至25μm。
[0017]进一步地，所述步骤2中所述折射率匹配液的折射率为1.448；所述刻写直波导时，飞秒激光脉冲能量为1.2μJ，频率为1kHz，平台移动速度为30μm/s，所述直波导的宽度为4至16μm。
[0018]进一步地，所述步骤3中的所述刻写光纤布拉格光栅时，飞秒激光脉冲能量为0.3μJ，频率为100Hz，平台移动速度为107μm/s，所述光纤布拉格光栅的周期为0.3至3μm。
[0019]进一步地，所述刻写直波导的加工方式采用堆叠直线刻写的方法，具体设置为每次刻写长度一致且连接两端单模光纤纤芯并深入纤芯一小段距离，以增加耦合进调制区域的光，每次刻写间距为0.25至1μm，总共刻写16次，制作完成的调制区域宽度共为4至16μm。
[0020]本专利技术的有益效果在于：
[0021](1)本专利技术基础结构简单，仅需单模光纤和无芯光纤；
[0022](2)本专利技术通过简单的结构变换，有效提升了石英光纤上FBG的应变灵敏度。
[0023]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的一个较佳实施例的制作流程示意图；
[0025]图2是本专利技术的一个较佳实施例的FBG结构示意图；
[0026]图3是本专利技术的一个较佳实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器，其特征在于，包括依次连接的输入单模光纤、多段无芯光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段无芯光纤与上一段无芯光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段无芯光纤对轴熔接在一起，所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯之间通过光刻写直波导相连接，沿所述直波导光刻写光纤布拉格光栅。2.如权利要求1所述的基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器，其特征在于，所述输入单模光纤、输出单模光纤的包层直径均为125μm，所述输入单模光纤、输出单模光纤的纤芯直径为4至10μm；所述多段无芯光纤的直径均为125μm。3.如权利要求1所述的基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器，其特征在于，所述多段无芯光纤为2至20之间的偶数段；每段无芯光纤的长度相同，均为200至2000μm；所述错位距离均为4至25μm。4.如权利要求1所述的基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器，其特征在于，所述直波导的宽度为4至16μm；光纤布拉格光栅的周期为0.3至3μm。5.一种基于错位熔接无芯光纤的FBG应变传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、无芯光纤错位结构的制作：先将剥去涂覆层的单模光纤与无芯光纤对向错位熔接到一起，以选定的长度切断无芯光纤，以单模光纤中心轴为基准，之后的每段无芯光纤上下对向错位一段相同距离进行熔接，最后将另一单模光纤对准中心轴熔接在末尾一段无芯光纤上；步骤2、飞秒激光刻写直波导：将错位结构固定在三维精密位移平台上，在光纤周围滴折射率匹配液使其被浸没，再对光纤进行水平和垂直方向的校准；使两侧单模纤芯在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，田可，张明远，李慧斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：