[发明专利]基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅

说明书

本发明涉及一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，由激光沿倾斜弧形轨道在光纤上单面曝光而成，能够同时测量光纤扭转的大小和方向。该长周期光纤光栅对折射率的调制效果可通过改变栅格的曲率及倾角而加以调控，其光谱中存在多个特征峰；当光栅的扭转方向相反时，特征峰的漂移方向也将随之改变。该扭转矢量传感器具有结构简单、加工方便等优点，在机械形态检测等方面具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种可进行方向性扭转率传感测量的新结构，具体为一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，可应用于机械工程和建筑结构监测等技术领域。

背景介绍

长周期光纤光栅(Long-Period Fiber Grating，简称LPFG)是在光纤上制作的一种无源透射器件。一般由多个呈周期性分布的折射率调制结构组成。根据耦合模原理，光纤的纤芯与包层中传输的光能在经过折射率调制结构后，会发生重新分配。当波长符合相位匹配条件时，该部分光能会从纤芯中耦合至包层中。经过多个折射率调制结构的重新分配，特定波长位置的光能在纤芯与包层区域的分配比例将基本固定，从而在输出光谱中产生不同位置的信号峰。由于光纤的包层有效折射率可受到光纤物理状态的影响，当光纤的物理状态发生改变时，各波长位置的光能分配比例将发生改变，从而在输出光谱中产生信号峰的波长移动。根据信号峰波谷位置的移动，我们能够获得光纤物理状态的变化，利用这一原理可以测量温度、电流、压力、弯曲等方面的微小变化。长周期光纤光栅具有体积小、重量轻、可弯曲、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，适宜于分布传感及远程遥控，既可作为传感器，又可传输信号，并且在传感和传输两个环节具有较高的稳定性，因此在光纤传感系统中得到广泛应用。

扭转矢量传感器是一种能够同时测量扭转率大小和方向的光学器件，在各类机械结构、形态探测领域具有重要的作用，一直是人们研究的热点。传统的扭转矢量传感器多数集中于利用具备特殊结构的光栅实现弯曲大小和方向的同时探测，其实现方式主要包括两种，其一是在激光写制过程中均匀地旋转及平移光纤，从而形成空间非镜面对称的折射率调制结构；另外一种是在加热条件下对光纤进行均匀扭转及固定，以获得内部应力呈螺旋状分布的光纤结构。然而，均匀旋转、平移等加工条件较为复杂，影响因素较多，不利于光纤器件的批量、重复制备；而经扭转后的光纤又容易出现强度下降、内部应力分布不均等问题，导致其使用寿命受到影响。近年来，随着长周期光纤光栅的结构设计与制作技术的不断成熟和完善，基于特殊结构的长周期光纤光栅逐渐成为人们研究的焦点。2016年，Y.Zhao等人(Opt.Express，v.24，2016：6186-6195)使用二氧化碳激光在少模光纤上写制了倾斜栅格的长周期光栅，其特征谐振波谷的波长漂移量与扭转率呈线性关系；2017年，C.Sun等人(IEEE Photon.Technol.Letters，v.29，2017：2179-2182)使用二氧化碳激光在单模光纤上写制了3个曝光方向不同的正规长周期光栅，该光栅级联结构可用于测量扭转大小及方向；还有一些其它结构的光纤光栅级联结构被设计和制作，但是其结构通常需要包含复数个光栅。2012年，本研究小组(Opt.Express，v.25，2017：13448-13454)首次提出了一种栅格倾角呈啁啾分布的长周期光纤光栅，其波长漂移量与扭转率呈正弦函数关系，可以同时测量扭转率及扭转方向。但是，由于结构的限制，该器件需要使用非线性解调方法，不适用于常规的线性解调装置。而本发明设计的基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅不仅可分辨扭转方向，而且能在较大范围内实现波长漂移量对扭转率的线性解调。

发明内容

针对现有光纤光栅传感器在结构设计、扭转方向区分能力和加工难度方面存在的不足，本发明设计一种基于倾斜弧形调制结构的长周期光纤光栅，提供一种可实现扭转方向和大小同时测量的传感技术方案。

该种长周期光纤光栅由二氧化碳激光在一段光纤上写制多个周期型分布的倾斜弧形调制结构而构成。其特点在于：所述光纤为标准单模光纤；激光的扫描轨迹为曲率较大的圆弧；各个调制结构被称为栅格，其曝光方向相同；两个相邻栅格之间的距离被称为栅格周期，其大小处于500μm～700μm范围内；加工前无需对光纤进行预扭转，加工过程中无需旋转、平移或扭转光纤。