[发明专利]级联长周期光纤光栅装置及其制造方法及湿敏传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感器测量领域，具体涉及一种级联长周期光纤光栅装置及其制造方法、利用级联长周期光纤光栅装置的湿度传感器及湿敏传感系统。

背景技术

长周期光纤光栅是周期为几十至几百微米的一类光栅，它通过紫外照射、电弧放电、激光热效应等方法，沿光纤轴向构成周期性几何结构变化或折射率调制。这种光纤光栅的特点是将前向传输的纤芯模耦合至前向传输的包层模式，从而导致相应波长处的传输损耗，在透射谱中会出现一个或多个损耗峰。长周期光纤光栅是一种性能优良的光纤传感器，相对于布拉格光纤光栅在应变和温度传感中的广泛应用，长周期光纤光栅由于对外界环境折射率的高度敏感性更适合在生物、环境监测和化学传感中应用，因此受到国内外研究者的广泛关注。

对于普通长周期光纤光栅来说，主要考虑纤芯模和1阶v次包层模之间的耦合。根据模式耦合理论，长周期光纤光栅的谐振波长λ_v由公示(1)决定：

λ_v＝(n_co-n^v_cl)·Λ                        (1)

其中n_co、n^v_cl分别为光纤基模(传导模式)和1阶v次包层模式的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期。当外界环境的折射率发生变化时，包层模的有效折射率会发生变化，引起谐振波长及透射峰幅度发生变化。通过光谱分析仪或其他仪器对波长漂移及透射峰幅度变化量进行检测，即可获得外界环境折射率的变化信息。

但是由于单个长周期光纤光栅的透射谱带宽比较大，测量环境中如果光谱仪的分辨率比较低，就会引入比较大的波长读数误差，限制了长周期光纤光栅的测量分辨率的提高。

发明内容

为克服单个长周期光纤光栅因光栅谱宽引起分辨率低的问题，本发明的目的是提供一种具有高分辨率的级联长周期光纤光栅装置及其制造方法、利用该级联长周期光纤光栅的湿敏传感器及湿敏传感系统。可以将该级联长周期光纤光栅装置应用于湿度传感领域，利用该级联长周期光纤光栅装置的湿度传感器具有高分辨率，由于级联长周期光栅装置构成的马赫-泽德干涉仪的干涉谱具有更精细的光谱结构且单个透射峰的带宽大大变窄，可以减小由读数不准确引入的误差，进而提高湿敏传感系统测量的灵敏度和分辨率。

为实现上述目的，本发明提供一种级联长周期光纤光栅装置，该装置包括：

第一长周期光纤光栅，用于接收光信号并将其分为两路，一路通过光纤纤芯传输，一路被耦合至光纤包层进行传输；

第二长周期光纤光栅，用于通过光纤接收所传输的两路光信号，并将在光纤包层中传输的光信号再耦合回光纤纤芯使两路光信号产生干涉；

光纤，连接在所述第一长周期光纤光栅和所述第二长周期光纤光栅之间。

优选地，所述第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的透射率均为3dB。

本发明还提供一种上述级联长周期光纤光栅装置的制造方法，该方法包括以下步骤：

S1，将单模光纤置于激光器激光光斑的焦平面；

S2，利用所述激光光斑，按预定设置扫描方式多次横向扫描所述单模光纤，完成第一长周期光纤光栅的制作，所述第一长周期光纤光栅具有周期性折射率调制和非对称性的结构变化；

S3，移动单模光纤一段距离，采用与制作第一长周期光纤光栅相同的方法制作第二长周期光纤光栅。

优选地，步骤S1中，所述激光器为CO₂激光器。

优选地，步骤S2中，预定设置扫描方式为：

首先使激光光斑沿垂直于单模光纤的方向横向扫描单模光纤，然后使激光光斑沿单模光纤轴向偏移一个光栅周期的距离，在下一个点重复上述横向述扫描，如此重复若干次，完成一次扫描过程；

重复若干次上述扫描过程。

优选地，步骤S3中，利用微位移平台移动所述单模光纤。

本发明还提供一种利用上述级联长周期光纤光栅装置的湿度传感器，该湿度传感器包括：

上述结构的级联长周期光纤光栅装置；

湿度敏感膜，其涂覆在级联长周期光纤光栅装置的表面，用于感知外界环境湿度的变化。

优选地，所述第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的透射率均为3dB。

优选地，所述湿度敏感膜为水凝胶湿度敏感膜。

优选地，所述水凝胶湿度敏感膜涂覆于第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅之间的单模光纤包层表面。