基于飛秒激光直寫的高折射率光纖光柵傳感器

李 馳,魯志琪,任 杰,彭 敏,劉昌寧

(湖北師范大學 物理與電子科學學院,湖北 黃石 435002)

0 引言

光纖傳感器種類繁多[1-3],而光纖光柵作為光纖系統中的重要元件之一,其具有小型化、響應速度快、抗電磁干擾、高靈敏度、高精度、耐高溫、耐腐蝕等優點[4-5],被廣泛用于溫度測試、折射率測量[6]、應變測試[7]等領域。按照周期大小,光纖光柵可分為長周期光纖光柵(LPFG)和布喇格光纖光柵(FBG)。FBG通常指周期低于1 μm的光纖光柵,又稱為反射光柵[8-10];LPFG指周期數為幾十或幾百微米的光纖光柵,又稱為透射光柵[11]。傳統的LPFG制作方法有紫外曝光掩膜法[12]、高頻CO2激光器逐點寫入法[13]和腐蝕刻槽法[14]等,但這些方法在光纖載氫處理、高溫穩定性、機械強度和靈敏度方面都有不同程度的缺陷。飛秒激光直寫是一種新興的刻寫光纖光柵的方法,近年來成為國內外的研究熱點[15-17]。

2010年,Liu等[18]使用飛秒紅外光束聚焦到PCF的多孔玻璃內包層區域制成LPFG,得到強度26 dB的諧振峰, LPFG結構的傳感頭可在800 ℃下運行30 h,具有良好的穩定性。2011年,Li等[19]開發了一種改進的逐點刻制方法,通過使用800 nm,35 fs的激光器制作衰減峰值達到20 dB的LPFG,其溫度敏感性為0.091 nm/℃,且在600 ℃時顯示出較高的溫度穩定性。2012年,Sun等[20]使用飛秒激光逐點刻寫標準單模光纖得到諧振峰在1 300 nm附近的LPFG,在3 N的拉力下,其衰減超過16 dB,帶寬為7 nm,損耗幾乎為0。2022年,Chen等[21]使用513 nm的飛秒激光制作了一種螺旋形LPFG,引入新的調制參數——螺旋路徑半徑,為螺旋形LPFG的制備和應用提供了新的自由度。綜上所述,飛秒激光直寫LPFG傳感器技術已在傳感測量領域取得巨大進展,研究價值較高。

本實驗設計并搭建了基于波長為800 nm的紅外飛秒激光制作LPFG的加工系統,制作了柵區長度為7.5 mm的LPFG,并分別對溫度、軸向應變和折射率3個參量進行分析。實驗發現,該LPFG傳感器具有較高的折射率靈敏度,在生物化學領域具有一定的應用前景。

1 傳感器制作與原理分析

1.1 傳感器制作過程

傳感器采用標準單模光纖和細芯光纖制作。標準單模光纖(SMF)由武漢長飛光纖光纜有限公司生產,纖芯直徑?9 μm,包層直徑?125 μm;細芯光纖(TCF)纖芯直徑?3.8 μm,包層直徑?125 μm。飛秒激光器加工示意圖如圖1所示,所使用能量為0.65 μJ。傳感器的制作過程如下:首先取一段2 cm的TCF,剝去其涂覆層,并在其兩端熔接上SMF;然后采用800 nm飛秒激光在TCF上逐點刻寫出長周期光柵(LPG),功率為650 μw,所得光柵參數為:光柵周期為150 μm,光柵數為50個,占空比為1∶1,如圖2所示。

圖1 飛秒激光加工系統圖

圖2 光纖光柵實物圖

1.2 傳感器基本原理

根據長周期光柵的模式耦合理論,其纖芯基模與同向包層模式之間的耦合滿足相位匹配條件:

(1)

式中:βco為向前傳輸的基模傳播常數;βcl為同向的包層模傳播常數;Λ為長周期光柵的周期。

傳播常數為

(2)

式中:neff為模式有效折射率;λ為光的波長。

由式(1)、(2)可得:

(3)

剝去涂覆層后,包層內的光傳輸因受外界環境的影響而發生變化,纖芯與包層的有效折射率之差Δneff發生改變;受到溫度和軸向力影響時,光柵周期Λ發生改變;對應變化程度的不同,諧振波長會發生不同程度的紅移或藍移,以此觀察漂移量可以得到外界參量(如溫度、折射率、應力等)的變化量。本文在細芯光纖上刻蝕光柵,其纖芯直徑僅為?3.8 μm,與飛秒激光劃線的寬度基本相等。激光經過橫向光柵時只能從包層中傳播,這能增加器件對外界環境的敏感度。

2 實驗過程與結果分析

圖3為實驗裝置示意圖。本實驗中使用的儀器包括低偏振超寬帶光源(北京康冠世紀,QS 15091601) ,光譜范圍為1 250～1 650 nm;光譜分析儀(日本橫河,AQ 6370D) 測量范圍為600～1 700 nm,精度為±0. 01 nm。

圖3 實驗裝置及傳感器示意圖

2.1 折射率實驗

室溫下配置16組不同濃度的甘油溶液,用阿貝折射儀測量得到其折射率范圍為1.333 0～1.430 5。將結構兩端的SMF分別連接到光譜儀和寬帶光源,拉直傳感結構,得到其在空氣中的初始譜;然后將結構浸泡在清水中,記錄此時的光譜,如圖4所示,取dip1,dip2,dip3為研究對象。

圖4 傳感器在空氣中和加水后的初始光譜圖

取出結構后置于配置好的不同折射率的甘油溶液中,以dip1為研究對象,觀察其光譜變化,待光譜穩定后再進行記錄;取出結構并清洗干凈,待其回歸到與清水譜線重合后進行下一組甘油溶液的光譜測量。全部完成后分析數據,得到譜線的漂移情況如圖5所示。

圖5 折射率透射譜漂移圖

如圖6所示,當折射率升高,諧振波谷dip1發生紅移,中心波長逐漸增大。折射率處于1.333 0～1.383 3時,傳感器的靈敏度達到199.8 nm/RIU;折射率處于1.383 3～1.407 4時,傳感器的靈敏度為369.8 nm/RIU;折射率處于1.420 5～1.430 5時,傳感器的靈敏度最高可達1 605 nm/RIU,靈敏度較高。

圖6 折射率實驗擬合圖

2.2 溫度實驗

LPFG傳感器還能用于溫度傳感。當溫度改變時,光柵受熱膨脹,柵距改變,導致中心波長發生漂移,由此可得溫度與諧振波谷的對應關系。將LPFG穿過管式爐,并將兩端的SMF固定在寬帶光源和光譜儀上。設置管式爐程序,使其由30 ℃均勻上升至330 ℃,每隔30 ℃保持溫度5 min,譜線穩定后記錄一組數據。實驗完成后整理數據,得到如圖7所示的漂移圖,由圖可見,隨著溫度升高,諧振峰dip2發生紅移。圖8為溫度實驗擬合圖。由圖8可見,靈敏度達到72.65 nm/℃,線性擬合度R2=0.979 2,說明傳感器線性度良好。

圖7 溫度實驗漂移圖

圖8 溫度實驗擬合圖

2.3 軸向應變試驗

當光纖光柵受到軸向應力時,光柵周期受到拉伸而增大,諧振峰的中心波長發生改變。將傳感器兩端的SMF接入寬帶光源和光譜儀,并將SMF用AB膠固定在位移平臺上,待其完全固化后,調節位移平臺使傳感器處于拉直狀態,記錄此時兩點膠之間的距離d,然后開始軸向應變實驗。轉動位移平臺右側千分尺旋鈕,每轉動0.02 mm記錄一次傳感器的透射譜。軸向應變公式為

(4)

式中:Δd為位移平臺的總移動量;d為傳感器處于初始拉直狀態時兩處AB膠固定之間的距離;ε為實驗中的軸向應變量。

圖9為軸向應變實驗漂移圖。由圖可見,隨著光纖拉伸量的逐漸增加,諧振峰dip3的中心波長發生紅移。圖10為軸向應變實驗擬合圖。由圖10可見,傳感器的軸向應變靈敏度為0.636 8 pm/με,R2=0.992 2,這說明傳感器對于應變不敏感且線性度優良,說明軸向應變對其他實驗測量的影響可以忽略。

圖9 軸向應變實驗漂移圖

圖10 軸向應變實驗擬合圖

3 結束語

本文提出并制作了一種基于飛秒激光直寫的光纖光柵傳感器。通過分析傳感器的透射光譜與折射率、溫度、軸向應力的變化關系,得到在1.333 0～1.430 5折射率范圍內,靈敏度最高能達到1 605 nm/RIU,線性度良好。另外,該傳感器在30～330 ℃時,靈敏度達到76.52 nm/℃,線性擬合度為0.979 2。該傳感器對于應變不敏感,靈敏度僅為0.636 8 pm/με,線性擬合度達到0.992 2,其魯棒性優良。該傳感器制作簡單,靈敏度較高,在折射率和溫度傳感領域具有一定的應用前景。